ТОРЦЕВАЯ СТЕНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к железнодорожному подвижному составу и касается конструкций торцевых стен железнодорожных грузовых вагонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Торцевая стена железнодорожного грузового вагона является одним из наиболее повреждаемых элементов кузова. Характер повреждений свидетельствует о недостаточной прочности торцевой стены. Попытки усовершенствовать конструкцию привели к разнообразию вариантов торцевых стен вагонов, находящихся в эксплуатации. Тем не менее, для большинства вариантов характерно наличие остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации, что свидетельствует о недостаточной прочности торцевых стен.
Так, например, известен полувагон с глухим кузовом (RU 162696), который содержит кузов, состоящий из рамы, торцевых и боковых стен, включающих обшивку, стойки, верхнюю и нижнюю обвязки. На наружных поверхностях стоек в нижней части приварены усиливающие накладки, снизу к стойкам приварены торцевые накладки, к боковой стене и к боковым поверхностям стоек приварены боковые усиливающие накладки, расположенные на противоположных поверхностях стоек. Боковые усиливающие накладки со стороны кузова повторяют очертания поверхности боковой стены, а с внутренней стороны кузова размещены соединительные элементы, соединяющие поперечные балки рамы с прямоугольной вставкой в области закрепления стоек.
В данной конструкции за счет накладок, усиливающих стойки, повышается прочность только боковых стен, при этом торцевая стена не усилена, что недостаточно повышает прочность кузова.
Также известен полувагон с глухим дном и со скругленным нижним поясом кузова (RU 82650), который содержит раму, кузов, включающий боковые стены, нижний пояс, торцевые стены. Боковые и торцевые стены снабжены усиленной верхней обвязкой из труб квадратного сечения, торцевые стены подкреплены усиленными вертикальными и горизонтальными гнутыми профилями. Листы нижнего пояса оперты на стойки через приваренные подкладные листы.
Недостатком известной контракции является то, что усиление вертикальных и горизонтальных гнутых профилей происходит по всей их длине, что ведет к неоптимальному усилению торцевой стены и существенному увеличению металлоемкости конструкции торцевой стены. Кроме того, некоторые участки торцевой стены в данной конструкции, например, средняя часть торцевой стены, могут быть подвержены дополнительным нагрузкам с уменьшением срока эксплуатации такой торцевой стены.
Также известна торцевая стена полувагона (RU 108013, наиболее близкий аналог), которая содержит верхнюю обвязку, соединенную с угловыми стойками, которая жестко соединена с листовой обшивкой, усилена верхним, нижним и средним горизонтальными поясами, и вертикальными подкрепляющими элементами, симметрично расположенными относительно оси торцевой стены. Указанные вертикальные подкрепляющие элементы включают два крайних вертикальных подкрепляющих элемента, которые соединяют верхнюю обвязку с верхним, средним и нижним горизонтальными поясами и выступают ниже уровня нижнего горизонтального пояса, один средний вертикальный подкрепляющий элемент, который соединяет верхнюю обвязку с горизонтальными поясами, и два дополнительных вертикальных подкрепляющих элемента, которые расположены между крайними и средним вертикальными подкрепляющими элементами и соединяют верхнюю обвязку, верхний и средний горизонтальные пояса. На верхней обвязке и верхнем горизонтальном поясе установлены усиливающие накладки, расположенные по центру указанных балок и симметрично относительно оси торцевой стены. На двух крайних вертикальных подкрепляющих элементах сверху и снизу относительно нижнего горизонтального пояса установлены усиливающие накладки.
Недостатком известной торцевой стены является то, что помимо крайних вертикальных подкрепляющих элементов, торцевая стена содержит средний и два дополнительных вертикальных подкрепляющих элемента, выполненных для повышения прочностных характеристик торцевой стены. Такое исполнение имеет сложную конструкцию за счет использования большого количества деталей, вследствие чего, увеличивается металлоемкость конструкции, уменьшается технологичность и увеличивается трудоемкость изготовления торцевой стены полувагона.
Таким образом, в известных из уровня техники конструкциях железнодорожных грузовых вагонов недостаточно обеспечивается повышение прочности торцевой стены, также предложенные решения сопровождаются сложностью конструктивного исполнения и пониженной технологичностью. Кроме этого, недостатком известных решений является большая металлоемкость конструкции торцевой стены.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение прочности торцевой стены железнодорожного грузового вагона без существенного увеличения металлоемкости и усложнения конструкции.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Указанная задача решена благодаря торцевой стене железнодорожного грузового вагона, содержащей листовую обшивку, усиленную горизонтальными поясами. Также торцевая стена содержит две усиливающие накладки, расположенные по центру горизонтальных поясов и симметрично относительно оси торцевой стены.
Предлагаемая конструкция позволяет достичь технического результата в виде высоких прочностных характеристик торцевой стены, при этом обеспечивая уменьшенную металлоемкость, а также улучшенную конструкцию железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью. Кроме того, предлагаемая полезная модель обеспечивает расширение арсенала конструкций для грузовых железнодорожных транспортных средств.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что согласно предлагаемой полезной модели предложена торцевая стена железнодорожного грузового вагона, которая содержит усиливающие накладки на двух верхних горизонтальных поясах, при этом длина каждой усиливающей накладки составляет по большей мере 2000 мм, а толщина каждой усиливающей накладки находится в интервале от 0,02 до 0,36 от толщины горизонтального пояса.
Расположение усиливающих накладок зависит от распределения напряжений, действующих в торцевой стене. Максимальные напряжения действуют в верхней центральной части торцевой стены и уменьшаются от центра к торцам горизонтальных поясов. Усиливающие накладки снижают напряжения путем увеличения толщины горизонтального пояса, увеличивая тем самым его несущую способность. Таким образом, расположение усиливающих накладок на двух верхних горизонтальных поясах позволяет снизить напряжения и, как следствие, повысить прочность торцевой стены.
Также благодаря тому, что усиливающая накладка увеличивает толщину горизонтального пояса, появляется возможность использовать горизонтальные пояса с меньшей толщиной, что позволяет уменьшить массу торцевой стены, сохраняя ее прочностные характеристики.
Также как уже было сказано выше, в торцевой стене наибольшие напряжения действуют в центральной части горизонтальных поясов, а к краям горизонтального пояса напряжения уменьшаются. Таким образом, в заявляемой полезной модели расположение усиливающих накладок осуществляется по центру горизонтальных поясов и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены. Такое расположение усиливающих накладок, учитывающее действие напряжений, позволяет повысить прочность в центральной части торцевой стены, при этом, не утяжеляя конструкцию в менее нагружаемых точках силового каркаса.
Расположение усиливающих накладок на двух верхних горизонтальных поясах, то есть установка усиливающих накладок ближе к центральной части торцевой стены (относительно ближайшего аналога, смещение усиливающих накладок с верхней обвязки и верхнего горизонтального пояса на два верхних горизонтальных пояса), позволяет равномерно распределить действующие нагрузки в торцевой стене. Такое решение повышает прочность верхней центральной части торцевой стены, благодаря чему появляется возможность исполнения конструкции торцевой стены без усиливающей накладки, устанавливающейся на верхней обвязке и без дополнительных вертикальных элементов, которые присутствуют в конструкции ближайшего аналога. Предложенное решение позволяет значительно облегчить конструкцию, при этом сохраняя высокие прочностные характеристики торцевой стены. А также такое исполнение позволяет снизить металлоемкость конструкции, уменьшить трудозатраты и увеличить технологичность изготовления торцевой стены.
Кроме этого, длина каждой усиливающей накладки составляет по большей мере 2000 мм. А толщина каждой усиливающей накладки находится в интервале от 0,02 до 0,36 от толщины горизонтального пояса. Приведенные значения длины и толщины усиливающей накладки обеспечивают оптимальные соотношения прочности и металлоемкости конструкции торцевой стены. Для обеспечения прочности торцевой стены толщину накладки выбирают в зависимости от толщины горизонтального пояса, при этом с увеличением толщины пояса толщину накладки уменьшают и наоборот. При толщине усиливающей накладки менее 0,02 от толщины горизонтального пояса необходимо значительно увеличивать толщину горизонтального пояса, вследствие чего увеличится металлоемкость конструкции. При толщине накладки более 0,36 от толщины горизонтального пояса необоснованно повышается металлоемкость усиливающей накладки, т.к. не вызвана необходимостью компенсации расчетных нагрузок, действующих на горизонтальный пояс.
Согласно одному варианту реализации толщина каждой усиливающей накладки находится в интервале от 4 до 18 мм. Также согласно еще одному варианту реализации толщина каждого горизонтального пояса находится в интервале от 40 до 180 мм. Указанные интервалы характеризуют оптимальные размеры усиливающих накладок и горизонтальных поясов, позволяющие сохранить достаточную прочность торцевой стены, при этом избавляя от лишней металлоемкости конструкцию. Данные интервалы значений получены после проведения прочностных расчетов, а также в результате экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов.
Согласно еще одному варианту исполнения торцевая стена железнодорожного грузового вагона содержит три усиливающие накладки, одна из которых расположена на верхней обвязке железнодорожного грузового вагона. Также согласно еще одному варианту исполнения торцевая стена железнодорожного грузового вагона содержит три усиливающие накладки и три горизонтальных пояса, на каждом из которых расположена усиливающая накладка. Предлагаемые решения позволят увеличить прочность конструкции, тем самым значительно повысить стойкость к изнашиванию.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает высокие прочностные показатели торцевой стены, при этом позволяет снизить ее массу за счет использования более легких горизонтальных поясов и исполнения торцевой стены без дополнительных вертикальных элементов. Указанные признаки полезной модели позволяют обеспечить улучшенную конструкцию вагона, характеризующуюся повышенной технологичностью, что пояснено ниже на примерах реализации предлагаемой полезной модели.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели более подробно поясняется ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж:
Фиг. 1 - вид торцевой стены полувагона.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Предлагаемая полезная модель далее более подробно описана на примере железнодорожного грузового вагона в виде полувагона. При этом объем заявляемой полезной модели не ограничивается приведенным примером и распространяется на любые другие железнодорожные транспортные средства, известные специалисту в области техники, в том числе крытые вагоны, полувагоны и другие.
Торцевая стена 1 железнодорожного грузового вагона, показанная на Фиг. 1, содержит верхнюю 2 и нижнюю 3 обвязки, жестко соединенные с листовой обшивкой 4. Верхняя 2 и нижняя 3 обвязки объединяют торцевые 1 и боковые стены вагона. Кроме этого, листовая обшивка 4 торцевой стены 1 усилена тремя горизонтальными поясами 5, выполняющими прочностную функцию, и двумя вертикальными подкрепляющими элементами 6, расположенными симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1. Вертикальные подкрепляющие элементы 6 соединяют два нижних горизонтальных пояса 5 с нижней обвязкой 4 и выступают ниже ее уровня. На двух верхних горизонтальных поясах 5 установлены усиливающие накладки 7, выполняющие функцию снижения напряжения в горизонтальных поясах 5. Усиливающие накладки 7 расположены по центру горизонтальных поясов 5 и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1.
Технический результат в виде высоких прочностных характеристик торцевой стены, уменьшенной металлоемкости конструкции, и получения в целом улучшенной конструкции железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью, достигается за счет того, что согласно предлагаемой полезной модели предложена торцевая стена 1 железнодорожного грузового вагона, которая содержит усиливающие накладки 7 на двух верхних горизонтальных поясах 5, при этом длина каждой усиливающей накладки 7 составляет по большей мере 2000 мм, а толщина каждой усиливающей накладки 7 находится в интервале от 0,02 до 0,36 от толщины горизонтального пояса 5.
Торцевые стены при соударениях груженых полувагонов испытывают максимальные воздействия по сравнению с другими эксплуатационными операциями, поэтому значения показателей нагруженности торцевых стен при соударениях полувагонов являются основными и критериальными при оценке прочности стен в процессе проектирования. Наиболее нагруженными зонами конструкции торцевой стены являются верхний пояс и листовая обшивка в центре - для полувагона модели 12-141, для полувагона модели 12-132 - средний и верхний пояса [1]. Также в цитируемом источнике предложено при разработке по совершенствованию и усилению конструкции исходить из сохранения существующей схемы торцевой стены, варьируя и совершенствуя параметры и соединения элементов конструкции, так как существующая конструктивная схема торцевой стены, содержащая листы обшивки и каркас из горизонтальных и вертикальных подкрепляющих элементов, сохраняет сформировавшиеся тенденции проектирования данного узла, базирующиеся на опыте эксплуатации, теоретических исследованиях и технологии изготовления.
Исходя из этого, в предложенной полезной модели упрочнение торцевой стены 1 обеспечено установкой усиливающих накладок 7. Усиливающие накладки 7 снижают напряжения в торцевой стене 1 путем увеличения толщины горизонтального пояса 5, увеличивая тем самым его несущую способность. Расположение усиливающих накладок 7 зависит от распределения напряжений, действующих в торцевой стене 1. Так как максимальные напряжения действуют в верхней центральной части торцевой стены 1, то расположение усиливающих накладок 7 на двух верхних горизонтальных поясах 5 позволяет снизить напряжения и, как следствие, повысить прочность торцевой стены 1.
Для того, чтобы добиться высокой прочности при минимальной металлоемкости конструкции, необходимо обеспечить усиление торцевой стены 1 горизонтальными поясами 5 с меньшей толщиной. Это достигается благодаря тому, что установка усиливающих накладок 7 увеличивает толщину горизонтальных поясов 5. Для этого необходимо изначально проектировать и изготавливать горизонтальные пояса 5 с учетом того, что на них будут установлены усиливающие накладки 7. Оптимальное соотношение толщины усиливающей накладки от толщины горизонтального пояса находится в интервале от 0,02 до 0,36. Таким образом, появляется возможность обеспечить высокую прочность торцевой стены 1 с одновременно низкой ее металлоемкостью. Приведенное значение толщины усиливающей накладки обеспечивает оптимальные соотношения прочности и металлоемкости конструкции торцевой стены. Для обеспечения прочности торцевой стены при меньшем значении толщины каждой усиливающей накладки необходимо увеличивать толщину горизонтального пояса, вследствие чего увеличится металлоемкость конструкции. Данное соотношение получено после проведения прочностных расчетов, а также в результате экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов.
Также как уже было сказано выше, в торцевой стене 1 наибольшие напряжения действуют в центральной части горизонтальных поясов 5, а к краям горизонтального пояса 5 напряжения уменьшаются. Таким образом, в заявляемой полезной модели расположение усиливающих накладок 7 осуществляется по центру горизонтальных поясов 5 и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1. Такое расположение усиливающих накладок 7, учитывающее действие напряжений, позволяет повысить прочность в центральной части торцевой стены 1, при этом не утяжеляя конструкцию в менее нагружаемых точках силового каркаса.
Длина каждой усиливающей накладки 7 составляет по большей мере 2000 мм. Большее значение длины усиливающей накладки 7 не обеспечит оптимального соотношения прочности и металлоемкости конструкции торцевой стены. Данное значение получено после проведения прочностных расчетов, а также в результате экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов.
Расположение усиливающих накладок 7 на двух верхних горизонтальных поясах 5, то есть установка усиливающих накладок 7 ближе к центральной части торцевой стены 1 (относительно ближайшего аналога, смещение усиливающих накладок с верхней обвязки и верхнего горизонтального пояса на два верхних горизонтальных пояса), позволяет равномерно распределить действующие нагрузки в торцевой стене. Такое решение повышает прочность верхней центральной части торцевой стены 1, благодаря чему появляется возможность исполнения конструкции торцевой стены 1 без усиливающей накладки, устанавливающейся на верхней обвязке и без среднего и дополнительных вертикальных элементов, которые присутствуют в конструкции ближайшего аналога. Предложенное решение позволяет значительно облегчить конструкцию, при этом сохраняя высокие прочностные характеристики торцевой стены. А также такое исполнение позволяет снизить металлоемкость конструкции, уменьшить трудозатраты и увеличить технологичность изготовления торцевой стены.
Толщина каждой усиливающей накладки может находиться в интервале от 4 до 18 мм. А толщина каждого горизонтального пояса может находиться в интервале от 40 до 180 мм. Указанные интервалы характеризуют оптимальные размеры усиливающих накладок и горизонтальных поясов, позволяющие сохранить достаточную прочность торцевой стены, при этом избавляя от лишней металлоемкости конструкцию. Данные интервалы значений получены после проведения прочностных расчетов, а также в результате экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов.
Также существует возможность исполнения торцевой стены, когда она содержит три усиливающие накладки, одна из которых расположена на верхней обвязке железнодорожного грузового вагона. Также возможно исполнение, когда торцевая стена железнодорожного грузового вагона содержит три усиливающие накладки и три горизонтальных пояса, на каждом из которых расположена усиливающая накладка. Предлагаемые решения позволят увеличить прочность конструкции, тем самым значительно повысить стойкость к изнашиванию.
Например, в случае перевозки штабельных грузов, занимающих не полный объем кузова, а около 2/3 высоты торцевой стены, установка усиливающих накладок на два верхних горизонтальных пояса повышает прочность в зоне действия максимальных нагрузок на торцевую стену.
В качестве примера можно использовать полувагон с глухим кузовом, на торцевую стену которого установлены горизонтальные пояса с предпочтительной толщиной, находящейся в пределах от 50 до 180 мм. На два верхних горизонтальных пояса устанавливаются усиливающие накладки длинной 1500 мм. Данная конструкция обеспечивает прочность в зоне действия максимальных нагрузок на торцевую стену, что подтверждено испытаниями и расчетами.
Таким образом, совокупность признаков предлагаемой конструкции обеспечивает прочностные показатели торцевой стены в сочетании с минимальной материалоемкостью, а также реализуется в целом улучшенная конструкция железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными примерами, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, определенный формулой полезной модели.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Павлюков А.Э. Нагруженность торцевой стены полувагона при маневровых соударениях / А.Э. Павлюков // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Омск, 1993. - С. 3, 17.