БАЛКА НАДРЕССОРНАЯ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта в части конструкции балок надрессорных тележек грузовых вагонов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является балка надрессорная грузового вагона, содержащая верхний пояс с подпятником в виде плоской плиты с упорным кольцевым буртом и центральным отверстием, нижний пояс с опорными площадками рессорного комплекта, наружные вертикальные стенки, соединяющие верхний и нижний пояс, поперечные ребра, расположенные с внутренней стороны в зоне подпятника, соединяющие наружные вертикальные стенки, см. RU 117129 U1, опубл. 20.12.2011.
Недостатком данного технического решения является то, что ребра, подкрепляющие подпятник с внутренней стороны балки надрессорной, расположены в районе кольцевого бурта подпятника, где жесткость плиты подпятника достаточна. Такое расположение указанных ребер является нерациональным.
Технический результат полезной модели заключается в повышении усталостной прочности балки надрессорной за счет снижения величины механических напряжений в районе отверстия подпятника для установки шкворня без повышения массы детали.
Заявленный технический результат полезной модели достигается за счет усовершенствования формы и расположения поперечных ребер в балке надрессорной, расположенных с внутренней стороны в зоне подпятника, которые соединяют боковые стенки. Благодаря данной конструкции поперечных ребер происходит снижение величины механических напряжений в районе отверстия подпятника для установки шкворня, тем самым увеличивается усталостная прочность балки надрессорной.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что поперечные ребра, расположенные с внутренней стороны подпятника, соединяющие боковые стенки, находятся в зоне, границы которой описываются диапазоном 0,25≤L/R1≤0,7, где размер «L» – расстояние от центра подпятника до границы зоны в продольном направлении, а «R1» – радиус подпятника, при этом поперечные ребра имеют переменную высоту, увеличивающуюся от боковых стенок к центру, при этом минимальная высота «h» поперечных ребер возле боковых стенок лежит в диапазоне от 20 до 80 мм, а максимальная высота «H» поперечных ребер в центре лежит в диапазоне от 40 до 120 мм. Толщина «S» поперечных ребер лежит в диапазоне от 12 до 40 мм. Значения радиусов «R2» перехода между поперечными ребрами и боковыми стенками лежат в диапазоне от 10 до 50 мм. Значения радиуса скругления «R3» центральной части поперечного ребра в поперечном сечении лежат в диапазоне от 50 до 300 мм. Значения радиуса «R4» скругления центральной части поперечного ребра в продольном сечении лежат в диапазоне от 40 до 200 мм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлен общий вид балки надрессорной;
- на фиг. 2 представлен вид спереди балки надрессорной;
- на фиг. 3 представлен разрез А–А балки надрессорной на фиг. 2 с видом на верхний пояс с поперечными ребрами;
- на фиг. 4 представлен выносной элемент Б балки надрессорной на фиг. 3 с видом изнутри на верхний пояс в зоне подпятника;
- на фиг. 5 представлен поперечный разрез В–В балки надрессорной на фиг. 4 с видом на поперечные ребра, показывающий их высоту;
- на фиг. 6 представлен вид сверху Б балки надрессорной на фиг. 5 в зоне подпятника;
- на фиг. 7 представлен трехмерный вид с внутренней стороны балки надрессорной на поперечные ребра, расположенные в зоне подпятника;
- на фиг. 8 представлены результаты расчета в виде распределений полей напряжений по фон Мизесу, дополнительный расчетный режим (предварительная оценка усталости), для условия, если поперечные ребра находятся под буртом подпятника;
- на фиг. 9 представлены результаты расчета в виде распределений полей напряжений по фон Мизесу, дополнительный расчетный режим (предварительная оценка усталости), для условия, если поперечные ребра находятся в предлагаемой зоне;
- на фиг. 10 представлены результаты расчета в виде распределений полей напряжений по фон Мизесу, дополнительный расчетный режим (предварительная оценка усталости), для условия, при котором значения размеров «Н» и «h» менее нижней границы предлагаемых диапазонов.
Балка надрессорная тележки грузового вагона (фиг. 1) выполнена в виде стальной отливки и состоит из верхнего пояса 1, включающего в себя плоскую плиту подпятника 2 с упорным кольцевым буртом 3 и центральным отверстием 4 для установки шкворня, нижний пояс 5 с опорными площадками 6 рессорного комплекта, боковые стенки 7 (фиг. 2), соединяющие верхний 1 и нижний 5 пояса, поперечные ребра 8 (фиг. 3), расположенные с внутренней стороны в зоне подпятника 2, соединяющие боковые стенки 7.
Поперечные ребра 8 (фиг. 4) находятся в зоне, границы которой описываются диапазоном 0,25≤L/R1≤0,7, то есть «Lmin» = 0,25*R1, а «Lmax» = 0,7*R1, где размер «L» – расстояние от центра подпятника 2 до границы зоны в продольном направлении, «R1» – радиус подпятника 2 до бурта подпятника (фиг. 6), «Lmin» – минимальное значение размера «L», «Lmax» – максимальное значение размера «L». Поперечные ребра 8 (фиг. 5) имеют переменную высоту, увеличивающуюся от боковых стенок 7 к центру, при этом минимальная высота «h» поперечных ребер 8 возле боковых стенок 7 лежит в диапазоне от 20 до 80 мм, а максимальная высота «H» поперечных ребер 8 в центре лежит в диапазоне от 40 до 120 мм.
Толщина «S» поперечных ребер 8 лежит в диапазоне от 12 до 40 мм (фиг. 4). Значения радиусов «R2» (фиг. 5) перехода 10 поперечных ребер 8 в боковые стенки 7 лежат в диапазоне от 10 до 50 мм. Значения радиуса скругления «R3» (фиг. 5) центральной части поперечного ребра 8 в поперечном сечении, лежат в диапазоне от 50 до 300 мм. Значения радиуса «R4» (фиг. 4) скругления центральной части поперечного ребра 8 в горизонтальном сечении, лежат в диапазоне от 40 до 200 мм.
При значениях толщины поперечных ребер «S» менее указанного диапазона не происходит значительного снижения концентрации механических напряжений в районе центрального отверстия 4 подпятника 2 для установки шкворня. Превышение указанного диапазона значений размера «S» приводит к избыточной прочности и жесткости балки надрессорной.
При расположении поперечных ребер 8 на расстояние менее «Lmin» происходит усложнение конструкции балки надрессорной, при которой поперечные ребра 8 разделяются стаканом шкворня 9 на две части, что влечет за собой возникновению концентраторов механических напряжений в зоне стакана шкворня. Расположение поперечных ребер 8 на расстояние более «Lmax» также способствует повышению концентраторов механических напряжений в зоне центрального отверстия 4 и стакана шкворня 9 подпятника 2.
Указанные диапазоны размеров «Н», «h», «R3» обеспечивают требуемый перепад и плавность изменения высоты поперечных ребер, форма которых приближена к форме балки с равным сопротивлением изгибу. При значениях размеров «Н» и «h» менее нижней границы указанных диапазонов не происходит значительного снижения концентрации механических напряжений в районе центрального отверстия 4 подпятника 2 для установки шкворня. Превышение величинами «Н» и «h» значений верхней границы установленного диапазона приводит к избыточной массе балки надрессорной.
Выбор значений размера «R3» менее нижней границы установленного диапазона приведет к образованию концентратора напряжений. При значениях размера «R3», превышающих верхнюю границу установленного диапазона, масса балки надрессорной получается избыточной.
Диапазон значений радиуса «R4» выбран для исключения образования концентраторов механических напряжений в центральной части ребра, в месте его изгиба. Выполнение значений радиуса «R4» меньше и больше границ указанного диапазона приведет к образованию локальных концентраторов напряжений.
Диапазон значений радиуса «R2» выбран для исключения образования концентраторов напряжений в месте перехода 9 поперечных ребер 8 в боковые стенки 7. Выполнение радиуса «R2» меньше указанного диапазона приведет к образованию локального концентратора напряжений, а превышение указанного диапазона приведет к нерациональному росту массы балки надрессорной.
Результаты расчета прочности балки надрессорной по ГОСТ 33211 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам», согласно которому рассмотрен дополнительный расчетный режим (предварительная оценка усталости), приведены на фиг. 8-10. Результаты расчета показывают, что при расположении поперечных ребер под буртом подпятника (фиг. 8), то есть в зоне на расстоянии «L», превышающем величину «Lmax», возникают напряжения, которые превышают напряжения, возникающие при расположении поперечных ребер в зоне, границы которой описываются диапазоном 0,25≤L/R1≤0,7 (фиг. 9). При расположении ребер на расстоянии «L», которое менее величины «Lmin», происходит усложнение конструкции, приводящее к разделению поперечных ребер 8 стаканом шкворня 9.
Результаты расчета показывают, что при значениях размеров «Н» и «h» менее нижней границы указанных диапазонов не происходит значительного снижения концентрации механических напряжений (фиг. 10).
Применение предлагаемой полезной модели позволит изготовить рациональную конструкцию балки надрессорной с повышенной усталостной прочностью за счет снижения величины механических напряжений в районе отверстия подпятника для установки шкворня.
Предлагаемую полезную модель используют следующим образом. Нагрузка от кузова вагона через пятник передается на подпятник балки надрессорной тележки, в центральном отверстии которого размещен шкворень, и далее через пружинный комплект на опорные площадки пружинных комплектов рам боковых.