НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к подвижному составу железнодорожного транспорта и может быть использована в конструкциях надрессорной балки для тележек грузовых вагонов.
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхние и нижние пояса, зауженную в плане среднюю центральную часть с подпятником, расширенные в плане концевые части с площадками под боковые опоры, боковые стенки, соединяющие зауженную среднюю центральную часть с концевыми частями и содержащие в местах перехода от зауженной средней центральной части к расширенным концевым частям изогнутые переходные участки В, см. RU 118275, B61F 5/52, опубл. 20.07.2012 (прототип).
Техническим недостатком данной балки надрессорной является низкая надёжность изогнутых переходных участков, выступающих как место концентрации механических напряжений, обусловленных неоптимальным подбором геометрических параметров толщин.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надёжности надрессорной балки тележки грузового вагона, полученное за счёт подбора оптимальных значений геометрических параметров изогнутых переходных участков между средней центральной части и концевыми частями  надрессорной балки тележки грузового вагона.
Указанный технический результат обеспечивается надрессорной балкой тележки грузового вагона, содержащей верхние и нижние пояса, зауженную в плане среднюю центральную часть с подпятником, расширенные в плане концевые части с площадками под боковые опоры, боковые стенки, соединяющие зауженную среднюю центральную часть с концевыми частями и содержащие в местах перехода от зауженной средней центральной части к расширенным концевым частям изогнутые переходные участки В, указанные изогнутые переходные участки В боковых стенок выполнены толщиной Т, превышающей толщину N боковых стенок средней центральной части на величину от 5 до 15 мм;
место перехода от толщины N боковых стенок зауженной средней центральной части надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В« могут быть выполнены в виде плоских наклонных под углами α участков, при этом углы α выдержаны в диапазоне от 3° до 30°;
место перехода от толщин T изогнутых переходных участков В к толщине С части боковых стенок концевых частей надрессорной балки могут быть выполнены в виде плоских наклонных под углами β участков D, при этом углы β выдержаны в диапазоне от 3° до 30°;
1
2
переход от толщины N боковых стенок зауженной средней центральной части надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В может быть осуществлён в виде участков с радиусными поверхностями, выполненными в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них;
3
4
переход от толщин T изогнутых переходных участков В боковых стенок к толщине С части концевых участков боковых стенок может быть выполнен в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них;
изогнутые переходные участки В и часть боковой стенки от участка В до окончания расширения надрессорной балки могут быть выполнены равной толщиной Т.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что указанные изогнутые переходные участки В боковых стенок выполнены толщиной Т, превышающей толщину N боковых стенок средней центральной части на величину от 5 до 15 мм;
места перехода от толщины N боковых стенок зауженной средней центральной части надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В выполнены в виде плоских наклонных под углами α участков, при этом углы α выдержаны в диапазоне от 3° до 30°;
места перехода от толщин T изогнутых переходных участков В к толщине С части боковых стенок концевых частей надрессорной балки выполнены в виде плоских наклонных под углами β участков D, при этом углы β выдержаны в диапазоне от 3° до 30°;
1
2
переход от толщины N боковых стенок зауженной средней центральной части надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В осуществлён в виде участков с радиусными поверхностями, выполненными в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них;
3
4
переход от толщин T изогнутых переходных участков В боковых стенок к толщине С части концевых участков боковых стенок выполнен в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них;
изогнутые переходные участки В и часть боковой стенки от участка В до окончания расширения надрессорной балки выполнены равной толщиной Т.
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 - балка надрессорная тележки грузового вагона, главный вид;
на фиг. 2 - то же самое, вид сверху на фиг. 1;
на фиг. 3, 4, 5, 6 - выносной элемент с фиг. 1;
на фиг. 7-12 - эпюры внутренних механических напряжений для различных размеров исполнения изогнутого переходного участка В.
Надрессорная балка тележки грузового вагона содержит верхний пояс V, нижний пояс Е, зауженную в плане среднюю центральную часть 1 (фиг. 1) с подпятником 2, а также расширенные в плане концевые части 3 с площадками 4 для боковых опор (не показаны). Боковые стенки 5 надрессорной балки соединяют зауженную среднюю центральную часть 1 с концевыми частями 3. Боковые стенки 5 содержат в местах перехода от зауженной средней центральной части 1 к расширенным концевым частям 3 изогнутые переходные участки В (фиг. 2).
Изогнутые переходные участки В выполнены толщиной Т, превышающей толщину N зауженной средней центральной части 1 на величину от 5 до 15 мм (фиг. 3).
Места перехода от толщины N боковых стенок 5 зауженной средней центральной части 1 надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В могут быть выполнены в виде плоских наклонных под углами α участков, при этом углы α выдержаны в диапазоне от 3° до 30°.
Места перехода от толщин T изогнутых переходных участков В к толщине С части боковых стенок 5 концевых частей надрессорной балки могут быть выполнены в виде плоских наклонных под углами β участков D, при этом углы β выдержаны в диапазоне от 3° до 30°.
1
2
Также переход от толщины N боковых стенок 5 зауженной средней центрального части 1 надрессорной балки к толщине Т изогнутых переходных участков В может быть осуществлён в виде участков с радиусными поверхностями, выполненными в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм (фиг. 4).
3
4
Переход от толщин T изогнутых переходных участков В боковых стенок 5 к толщине С части концевых участков боковых стенок 5 может быть выполнен в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них.
Кроме этого, изогнутые переходные участки В и часть боковой стенки 5 от участка В до окончания расширения надрессорной балки могут быть выполнены равной толщиной Т (фиг. 5, 6).
Обеспечение технического результата, заключающегося в повышении надёжности надрессорной балки тележки грузового вагона, достигается локальным увеличением толщины изогнутых переходных участков В подбором при этом оптимальных значений геометрических параметров, указанных изогнутых переходных участков В.
Проверка предлагаемых диапазонов размеров была произведена по критериям максимальных напряжений по Мизесу, основанным на теории Мизез-Хенки (Mises-Hencky), согласно которой пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению.
Для определения оптимальной величины толщины Т изогнутых переходных участков В были произведены расчёты с заданным шагом изменения толщины Т, равным 5 мм. Это позволило получить наглядные картины изменения механических напряжений и их связь с толщинами Т и определить, каким образом изменение величины толщины Т влияет на напряженно-деформированное состояние надрессорной балки и её участков.
Результаты таких расчётов собраны в Таблице 1 Эффективность снижения напряжений относительно увеличения массы.
Для наглядности полученные результаты представлены на эпюрах распределения механических напряжений.
Проведены расчёты и проверка надрессорной балки тележки грузового вагона, выбранной в качестве прототипа, которая показала, что известная надрессорная балка имеет высокие механические напряжения - зоны F, G (фиг. 7, 8) в верхнем V и нижнем Е поясах, в изогнутых переходных участках между средней центральной частью и концевыми частями надрессорной балки.
На фиг. 9, 10 представлены эпюры распределений механических напряжений толщиной Т изогнутых переходных участков В со значением +5 мм. Данные эпюры иллюстрируют наличие небольших участков - зоны L и M с механическими напряжениями.
На фиг. 11, 12 представлены эпюры распределений механических напряжений толщиной Т изогнутых переходных участков В со значением +10 мм. Данные эпюры иллюстрируют, что надрессорная балка тележки грузового вагона не имеет участков с высокими механическими напряжениями в верхнем поясе V, и небольшие остаточные напряжения - зона Q в нижнем поясе Е.
На фиг. 13, 14 представлены эпюры распределений механических напряжений толщиной Т изогнутых переходных участков В со значением +15 мм. Данные эпюры иллюстрируют, что надрессорная балка тележки грузового вагона не имеет участков с высокими механическими напряжениями и значение толщины Т, равное +15 мм, обеспечивает наибольшее снижение механических напряжений при минимальном увеличении массы надрессорной балки тележки грузового вагона.
На фиг. 15, 16 представлены эпюры распределений механических напряжений толщиной Т изогнутых переходных участков В со значением +20 мм. И в этом случае надрессорная балка тележки грузового вагона также не имеет участков с высокими механическими напряжениями, но имеет повышенную массу, что не является оптимальным решением.
Из представленных материалов видно, что эффективность при увеличении толщины Т начинает снижаться при +15 мм для нижнего пояса Е и при +20 мм для верхнего пояса V. Этим подтверждается выбранный интервал утолщения от 5 до 15 мм относительно толщины вертикальных боковых стенок 5, обеспечивающий снижение механических напряжений без существенного увеличения массы надрессорной балки тележки грузового вагона.
Диапазон углов α и β выбран по следующим критериям. Углы α и β меньше 3° обеспечивают плавный переход толщин, но при этом толщина Т увеличивается слишком медленно, что приводит к существенному увеличению массы надрессорной балки. Диапазон углов α и β более 30° приводит к существенному перепаду жесткостей боковых стенок 5, что в свою очередь приводит к образованию концентраторов механических напряжений и снижению надежности надрессорной балки.
1
2
3
4
Диапазон радиусов R, R, R, R выбран таким образом, что при выполнении указанных радиусов менее 10 мм возникает существенный перепад жесткостей боковых стенок 5, что в свою очередь приводит к образованию концентраторов механических напряжений и снижению надежности надрессорной балки.
1
2
3
4
Таким образом, выполнение изогнутых переходных участков В толщиной Т, превышающей толщину N зауженной средней центральной части 1 на величину от 5 до 15 мм, а также выполнение мест перехода от толщины N к толщине Т изогнутых переходных участков В в виде плоских наклонных под углами α от 3° до 30° участков, возможное выполнение мест перехода от толщин T к толщинам С боковых стенок 5 концевых частей надрессорной балки в виде плоских наклонных участков D под углами β от 3° до 30°, или выполнение переходов от толщины N к толщине Т изогнутых переходных участков В в виде участков с радиусными поверхностями, выполненными в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм одного из них, или выполнение переходов от толщин T к толщине С концевых участков боковых стенок в виде плавно и взаимно сопряжённых двух радиусов R и R величиной не менее 10 мм, обеспечивается повышение надёжности балки надрессорной для тележки грузового вагона.