Вагон-цистерна

Полезная модель относится к железнодорожному подвижному составу, в частности к вагонам-цистернам, и касается конструкции узла крепления котла вагона-цистерны к рамной конструкции.
Из уровня техники известен узел крепления котла на раме вагона-цистерны («Вагоны», под ред. Шадур Л.А., М.: «Транспорт», 1980 г., стр. 346). Крепление котла на раме осуществляется в средних и концевых его частях. Фасонные лапы, приваренные к средней части обечайки котла вагона-цистерны, соединены болтами с опорными планками (лапами рамы), которые своими полками приварены к хребтовой балке рамы.
Известна железнодорожная цистерна для транспортировки жидких грузов (RU №2118598, опубл. 10.09.1998, МПК B61D 5/00, B65D 88/12), включающая установленный на ходовой части посредством рамы котел в виде горизонтальной емкости. В средней части котел жестко закреплен на раме посредством соединения фасонных лап котла с лапами рамы вагона-цистерны приваренными полками к хребтовой балке рамы вагона-цистерны.
Общей технической проблемой, присущей указанным решениям, является выполнение поперечных сварных швов по торцам полок лап рамной конструкции при их закреплении на верхней полке хребтовой балки, что приводит к возникновению напряжений по торцам полок лап рамы и в поперечных сварных швах соединения при внешних воздействиях на вагон-цистерну, например, при продольном ударе от соседнего вагона, превышающих допустимые 3,5 МН, что может привести к снижению эксплуатационной надежности вагона-цистерны.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение прочности конструкции вагона-цистерны за счет выполнения дополнительных сварных соединений в плоскости соединения полки рамной конструкции и хребтовой балки и исключения поперечных сварных швов по торцам полок лап рамной конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в вагоне-цистерне, включающем установленную на ходовые тележки рамную конструкцию, выполненную в виде рамы или двух полурам, и закреплённый на ней котёл, при этом в средней части котел закреплен на рамной конструкции посредством соединения лап котла, закрепленных на котле, с лапами рамной конструкции, закрепленными на хребтовой балке рамной конструкции, согласно настоящей полезной модели, лапы рамной конструкции выполнены со сквозными вырезами в полках для сварного соединения с хребтовой балкой рамы вагона-цистерны. Каждая лапа рамной конструкции может быть выполнена с двумя сквозными вырезами, расположенными на одной оси и симметрично относительно поперечной оси лапы рамной конструкции. Лапы рамной конструкции могут быть выполнены с дополнительными вырезами. Сквозные вырезы могут быть выполнены на расстоянии «h» от продольной кромки лапы рамной конструкции в диапазоне размеров от 20 мм до половины ширины полки лапы рамной конструкции. Сквозные вырезы могут быть выполнены с расширениями в поперечном сечении размером «w1» до 100 мм в зонах, расположенных возле торцов лап рамной конструкции. Сквозные вырезы могут быть выполнены с расширениями в поперечном сечении размером «w1» до 100 мм с обеих сторон каждого выреза соответственно. Сквозные вырезы могут быть выполнены непостоянного поперечного сечения, и отношение ширины выреза «w» к ширине полки лапы рамной конструкции «W» составляет от 0,025 до 0,25. Отношение суммарной длины сквозных вырезов к длине полки лапы рамной конструкции может составлять от 0,5 до 0,95. Лапы рамной конструкции могут быть закреплены на вертикальной стенке хребтовой балки рамной конструкции посредством ребер жесткости. Полки лап рамной конструкции могут быть закреплены на верхней полке хребтовой балки рамной конструкции.
Заявляемая полезная модель отличается от ближайших аналогов тем, что лапы рамной конструкции выполнены со сквозными вырезами в полках для сварного соединения с хребтовой балкой рамы вагона-цистерны, при этом каждая лапа рамной конструкции может быть выполнена с двумя сквозными вырезами, расположенными на одной оси и симметрично относительно поперечной оси лапы рамной конструкции, также лапы рамной конструкции могут быть выполнены с дополнительными сквозными вырезами, сквозные вырезы могут быть выполнены на расстоянии «h» от продольной кромки лапы рамной конструкции в диапазоне размеров от 20 мм до половины ширины полки лапы рамной конструкции, кроме того сквозные вырезы могут быть выполнены с расширениями в поперечном сечении размером «w1» до 100 мм в поперечном сечении в зонах, расположенных возле торцов лап рамной конструкции, а также сквозные вырезы могут быть выполнены с расширениями в поперечном сечении размером «w1» до 100 мм с обеих сторон каждого выреза соответственно, сквозные вырезы могут быть выполнены непостоянного поперечного сечения, и отношение ширины выреза «w» к ширине полки лапы рамной конструкции «W» составляет от 0,025 до 0,25, также отношение суммарной длины сквозных вырезов к длине полки лапы рамной конструкции может составлять от 0,5 до 0,95, лапы рамной конструкции могут быть закреплены на вертикальной стенке хребтовой балки рамной конструкции посредством ребер жесткости, полки лап рамной конструкции могут быть закреплены на верхней полке хребтовой балки рамной конструкции.
Такое отличие от ближайших аналогов дает основание утверждать о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности полезной модели – «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 – вагон-цистерна (общий вид), фиг. 2 а, б, в – вид А-А фиг. 1, фиг. 3 – вид Б-Б на фиг. 1.
Вагон-цистерна, представленный на фиг. 1, содержит котел 1, закрепленный на рамной конструкции 2, выполненной в представленном варианте в виде рамы 2, установленной на ходовые тележки 3 (ходовая часть). Котел 1 вагона-цистерны закреплен на раме 2 посредством болтового соединения 4 лап 5 котла 1, закрепленных на котле 1, с лапами 6 (не показано на фиг. 1) рамы 2, закрепленными на хребтовой балке 2.1 рамы 2.
Лапы 6 рамной конструкции, представленные на фиг.2 и 3, в представленном варианте закреплены на хребтовой балке 2.1 рамы 2 посредством сварного соединения продольных кромок полок 6.1 лап 6 рамы 2 с верхней поверхностью хребтовой балки 2.1. Полки 6.1 лап 5 рамной конструкции 2, представленные на фиг. 2, выполнены длиной «L» и шириной «W». В полках 6.1 лап 6 рамной конструкции 2 выполнены сквозные вырезы 6.2 длиной «l» и шириной «w», расположенные на расстоянии «h» от продольной кромки полки 6.1 лап 6 рамной конструкции 2.
На фиг. 2а показана лапа 6 рамы 2 с одним сквозным вырезом 6.2 в полке 6.1;
на фиг. 2б – то же с двумя сквозными вырезами 6.2, расположенными на одной оси и симметрично относительно поперечной оси лапы 6 рамы 2;
на фиг. 2в – то же со сквозными вырезами 6.2, выполненными с расширениями 6.3 размером в поперечном сечении «w1».
Технический результат заявляемой полезной модели, заключающийся в повышении прочности конструкции вагона-цистерны за счет выполнения дополнительных сварных соединений в плоскости соединения полки рамной конструкции и хребтовой балки и исключения поперечных сварных швов по торцам полок лап рамной конструкции, достигается следующим образом.
Выполнение лап рамной конструкции со сквозными вырезами, в том числе с дополнительными вырезами, в полках лап позволяет закрепить лапы рамной конструкции на хребтовой балке, выполнив сварные швы по продольной кромке лап рамы и по сквозным вырезам в полках лап, что обеспечивает повышение прочности вагона-цистерны. Закрепление лап рамной конструкции на хребтовой балке за счет сварного соединения по продольной кромке и по сквозным вырезам в полке лапы позволяет не выполнять поперечные сварные швы по торцевой кромке полок лап, являющиеся зонами концентрации эксплуатационных напряжений и на которые приходится большая часть возникающих при эксплуатации продольных нагрузок, особенно при продольном ударе о соседний вагон, что обеспечивает снижение значений напряжений, возникающих на торцах полок лап и в узле крепления котла к рамной конструкции в целом, до допускаемых величин.
Выполнение двух сквозных вырезов в полке лапы рамы позволяет сократить длину сварных швов в сквозных вырезах, что также снижает значение напряжений, возникающих при эксплуатационных нагрузках и повышает прочность крепления лап к хребтовой балке рамной конструкции и крепления котла к рамной конструкции за счет закрепления полки лапы рамной конструкции в нескольких местах и сохранения прочностных характеристик полок лап, что обеспечивает повышение прочности конструкции вагона-цистерны в целом.
Расположение сквозных вырезов в полках лап симметрично относительно поперечной оси лап рамной конструкции позволяет жестко закрепить лапы рамной конструкции по всей длине и обеспечивает равномерное распределение действующих нагрузок по всей длине полок лап рамной конструкции и, соответственно, снижение значений напряжений, возникающих при эксплуатации, обеспечивая отсутствие зон повышенной концентрации напряжений, в отличии случая выполнения сварных швов по торцам полок лап рамной конструкции, что способствует повышению прочности конструкции вагона-цистерны при эксплуатации, в том числе в аварийных ситуациях при продольном ударе от соседнего вагона.
Дополнительные сквозные вырезы в полках лап рамной конструкции обеспечивают более равномерное закрепление лап на хребтовой балке рамной конструкции, что соответственно обеспечивает отсутствие зон повышенной концентрации напряжений в узле крепления лап к хребтовой балке рамной конструкции и креплении котла вагона-цистерны к рамной конструкции, что обеспечивает повышение прочности конструкции вагона-цистерны в целом.
Выполнение сквозных вырезов на расстоянии «h» от продольной кромки лапы рамной конструкции в диапазоне 20 мм до половины ширины полки лапы рамной конструкции обеспечивает более плотное соединение полок лап рамной конструкции с хребтовой балкой. Минимальное значение расстояния «h» обусловлено минимальным расстоянием, обеспечивающим отсутствие пересечения зон концентрации напряжений, образующихся при эксплуатации на продольной кромке и у сквозных вырезов полки лапы рамной конструкции. Максимальное значение расстояния «h» ограничено размерами хребтовой балки рамной конструкции, так как полка лапы рамной конструкции выходит за боковые стенки хребтовой балки, и выбрано таким образом, чтобы сварные швы, выполненные по сквозным вырезам, проходили на минимальном расстоянии от ребра хребтовой балки рамной конструкции.
Выполнение сквозных вырезов с расширениями в поперечном сечении обеспечивает снижение значений напряжений в зонах концентрации напряжений, образующихся в крайних точках сварного соединения продольной кромки полок лап и хребтовой балки рамной конструкции, что способствует повышению прочности крепления лап к хребтовой балке рамной конструкции и крепления котла к рамной конструкции, обеспечивая повышение прочности конструкции вагона-цистерны. Максимальной размер расширений в поперечном сечении «w1» равный 100 мм обеспечивает отсутствие пересечений зон концентрации напряжений, образующихся при эксплуатации на продольной кромке, на торцах и у сквозных вырезов полки лапы рамной конструкции.
Сквозные вырезы, выполненные непостоянного поперечного сечения, обеспечивают распределение возникающих нагрузок по большей площади полки лапы рамной конструкции, что обеспечивает повышение прочности конструкции вагона-цистерны и позволяет снизить значения напряжений в креплении лапы к хребтовой балке рамной конструкции и в узле крепления котла к рамной конструкции.
Минимальное значение отношения значения ширины «w» сквозных вырезов полки лапы к значению ширины «W» самой полки лапы рамной конструкции равное 0,025 обусловлено возможностью выполнения сварных швов по кромкам сквозного выреза полки лапы рамной конструкции. Максимальное значение отношения значения ширины «w» сквозных вырезов полки лапы к значению ширины «W» самой полки лапы рамной конструкции равное 0,25 ограничено прочностными характеристиками лап рамной конструкции, так как выполнение широких вырезов может повлиять на потерю прочности самих лап рамной конструкции.
Минимальное значение отношения значения суммарной длины сквозных вырезов полки лапы к значению длины «L» самой полки лапы рамной конструкции равное 0,5 обусловлено выполнением в полке лапы двух сквозных вырезов, расположенных на одной оси, с учетом обеспечения минимального расстояния между сквозными вырезами для исключения возможности пересечения зон концентрации напряжений, возникающих при эксплуатационных нагрузках в сквозных вырезах и на сварных швах. Максимальное значение отношения значения суммарной длины сквозных вырезов полки лапы к значению длины «L» самой полки лапы рамной конструкции равное 0,95 ограничено прочностными характеристиками лап рамной конструкции, так как необходимо обеспечить минимальное расстояние между краем сквозного выреза в полке лапы и торцом полки лапы рамной конструкции, для исключения пересечения зон концентрации напряжений, возникающих при эксплуатации в сквозных вырезах, на сварных швах, на продольных кромках, на торцах и в крайних точках полки лапы рамной конструкции. Выполнение сквозных вырезов большей длины может повлиять на потерю прочности самих лап рамной конструкции.
Закрепление полок лап рамной конструкции на верхней полке хребтовой балки обеспечивает повышение прочности конструкции вагона-цистерны за счет увеличения площади поверхности распределения возникающих внешних нагрузок и более плотного прилегания поверхностей соединения (полки лапы и верхней полки хребтовой балки).
Закрепление лап рамной конструкции на вертикальных стенках хребтовой балки рамной конструкции посредством ребер жесткости обеспечивает повышение прочности узла крепления котла к рамной конструкции вагона-цистерны, что обеспечивает повышение прочности конструкции вагона-цистерны.
Таким образом, заявляемая полезная модель всей своей совокупностью существенных признаков позволяет повысить прочность конструкции вагона-цистерны за цистерны за счет выполнения дополнительных сварных соединений в плоскости соединения полки рамной конструкции и хребтовой балки и исключения поперечных сварных швов по торцам полок лап рамной конструкции.