УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ КОТЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ К РАМЕ ПЛАТФОРМЫ

Заявленная полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции железнодорожных цистерн, а именно конструкции хомутов, при помощи которых котел вагона-цистерны фиксируется относительно рамы вагона-цистерны.
Известна конструкция железнодорожной цистерны [В.В. Лукин «Конструирование и расчет вагонов», Москва, УКМ МПС России, 2000, стр. 575], которая содержит раму с ходовой частью и котел. Котел на раме крепится в средней части и в концевых ее частях. Для предотвращения продольных смещений средняя часть котла жестко связана с рамой фасонными лапами, приваренными к нижней части котла и соединенными призонными болтами с лапами хребтовой балки рамы вагона-цистерны. Концевые части котла свободно лежат на деревянных брусках, укрепленных болтами в металлических желобах опор, установленных на шкворневых балках рамы. Для ограничения вертикальных и поперечных перемещений котла предусмотрены стяжные хомуты, состоящие из пояса хомута в виде стальной полосы, охватывающей котел по образующей. К поясу хомута приварены с обеих сторон наконечники в виде круглых стержней, которые имеют с одной стороны, резьбовую часть, а с другой конусообразную часть, соединенную с поясом хомута двумя нахлесточными фланговыми швами и одним лобовым швом. Через резьбовую часть наконечника хомут крепится к неподвижной опоре рамы вагона-цистерны.
Известно устройство для крепления котла железнодорожной цистерны на раме платформы [Патент РФ на изобретение №2207260, опубликован 27.06.2003, фиг.5], охватывающий котел хомут, состоящий из пояса и наконечников с резьбой, которые посредством упругих элементов и гаек соединены с ложементами рамы платформы, отличающееся тем, что оно снабжено фиксатором хомута от поворота вокруг своей продольной оси, позволяющим продольное перемещение хомута.
Недостатком данных конструкции является концентрация напряжений по линии сплавления лобового шва приварки наконечника к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений во фланговых и лобовом шве, возникающих из-за внецентренного растяжения и изгиба в результате необходимости обеспечения предварительного натяжения хомута при закреплении котла на раме вагона-цистерны с учетом динамических напряжений, возникающих при движении вагона-цистерны. Концентрация напряжения по линии сплавления лобового шва, превышающих предел выносливости, приводит к появлению начальной трещины по линии сплавления лобового шва, ее развитию в процессе эксплуатации и, как следствие, обрыву пояса хомута, что, в свою очередь, может привести к аварии на железных дорогах.
Также известно устройство для крепления котла к раме вагона-цистерны [Патент РФ на полезную модель №179895, опубликован 28.05.2017], включающее стяжной хомут, охватывающий котел, прикрепленный с обоих концов к опорам рамы платформы, и состоящий из пояса и наконечников с резьбой, которые соединены с опорами рамы вагона-цистерны, отличающееся тем, что в месте приварки пояса хомута к наконечнику установлена накладка, которая имеет П-образный профиль, вертикальные ребра которой параллельны оси наконечника, а горизонтальное ребро накладки перпендикулярно оси наконечника и располагается на расстоянии не менее 20 мм от лобового шва приварки наконечника к поясу хомута, при этом вертикальные ребра накладки расположены таким образом, что ее торцевые поверхности находятся на расстоянии не менее 50 мм от лобового шва наконечника, а высота накладки h больше ширины накладки s, при этом накладка располагается симметрично относительно оси пояса хомута.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
Недостатком вышеописанной конструкции является повышенная металлоемкость устройства крепления котла железнодорожного вагона-цистерны обусловленная наличием дополнительной накладки в зоне расположения лобового шва, предотвращающей возникновение концентрации напряжений по линии сплавления в лобовом шве приварки наконечника к поясу хомута, предотвращая усталостное разрушение пояса хомута.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы с обеспечением снижения металлоемкости при сохранении требуемой эксплуатационной надежности, исключающей концентрацию напряжений по линии сплавления лобового шва.
Техническим результатом, от применения предлагаемой полезной модели, является снижение металлоемкости при повышении требуемого уровня надежности и прочности конструкции.
-1
Технический результат достигается за счет того, что в конструкции устройства крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы применены штампованные наконечники, выполненные в форме лопатки, имеющей цилиндрическую часть, с обработанным под резьбу участком, плоскую часть для соединения с поясом посредством сварного шва и переходной участок от цилиндрической к плоской части, при этом отношение длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм. Применение наконечников предложенной конструкции позволяет достичь снижения металлоемкости за счет отсутствия дополнительных накладок и применения оптимального параметра отношения длины необработанной поверхности наконечника к площади поперечного сечения и его равномерного распределения по длине в зоне перехода от цилиндрической части к плоской части. Также, за счет того, что соединение наконечников и пояса выполнено посредством сварки двух плоских элементов прямым сварным швом, достигается снижение значения и равномерное распределение максимального напряжения по всему сварному шву, в отличие от рассмотренной в прототипе конструкции, имеющей различные напряжения по зонам сварки с максимальными значениями по лобовому шву. Кроме того, в предлагаемой конструкции количество и длина сварных соединений наконечника и пояса значительно меньше, что, в свою очередь, влияет на повышение надежности и снижение материалоемкости конструкции.
Вариант выполнения пояса толщиной меньше толщины плоской части наконечника позволяет снизить металлоемкость хомута и конструкции в целом. Выполнение толщины пояса меньше толщины плоской части наконечника обусловлено тем, что плоской частью наконечника воспринимается большая часть напряжений, равномерно распределяющихся в дальнейшем по сварному шву и далее по поясу.
Вариант выполнения на торце плоской части наконечника двух последовательно выполненных фасок так, что угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски составляет диапазон от 18° до 22°, а угол между плоскостями первой и второй фасок составляет диапазон от 50° до 60°, способствует повышению надежности сварного шва, соединяющего наконечник и пояс хомута, за счет полного провара металла и, как следствие, обеспечения качественного сварного соединения.
Вариант закрепления хомутов к опорам рамы платформы так, что наконечники фасками направлены в сторону котла, также способствует повышению эксплуатационной надежности. В процессе эксплуатации котел вагона-цистерны под действием нагрузок изменяет свою геометрию, и, в конечном счете, влияет на изменение напряжений в хомутах. Направление наконечников фасками к котлу позволяет снизить в основном сварном шве, уровень растягивающих напряжений, образующихся на внешней поверхности хомутов и заменить их сжимающими напряжениями, являющимися менее опасными.
Вариант крепления хомутов к опорам рамы под углом к продольной вертикальной плоскости котла в диапазоне значений от 10° до 12° способствует более надежному креплению котла, в отличие от крепления под 90° к горизонтали, за счет большей площади прилегания пояса хомута к котлу. Также данный вариант требует меньшей длины пояса хомута в отличие от вариантов закреплений под большими углами, а, следовательно, позволяет снизить металлоемкость и массу конструкции.
-1
Сущность заявляемой полезной модели, заключается в том, что устройство крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы, включающее охватывающий котел хомут, состоящий из пояса и штампованных наконечников с резьбой, которые посредством упругих элементов и гаек соединены с опорами рамы платформы, при этом, штампованные наконечники выполнены в форме лопатки, имеющей цилиндрическую часть, с обработанным под резьбу участком, плоскую часть для соединения с поясом посредством сварного шва и переходной участок от цилиндрической к плоской части, при этом отношение длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм.
Возможно выполнение пояса хомута толщиной меньше толщины плоской части наконечника. Также на торце плоской части наконечника могут быть выполнены две последовательные фаски так, что угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски составит диапазон от 18° до 22°, а угол между плоскостями первой и второй фасок составит диапазон от 50° до 60°, при этом наконечники хомутов при закреплении на опорах рамы платформы будут направлены фасками в сторону котла. Помимо этого, крепление хомутов к опорам рамы может быть выполнено под углом к продольной вертикальной плоскости котла в диапазоне значений от 10° до 12°.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 – Крепление котла к раме платформы;
Фиг. 2 – Штампованный наконечник;
Фиг. 3 – Распределение напряжений в сравнении с прототипом;
Фиг. 4 – Графики распределения отношения длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в зоне перехода от цилиндрической части наконечника к плоской.
-1
На фиг. 1 представлено устройство крепления котла 3 железнодорожной цистерны к раме 2 платформы представляет собой охватывающий котел 3 хомут. Хомут выполнен из пояса 4 и двух штампованных наконечников 5. Наконечники 5 посредством упругих элементов 6 и гаек 7 соединены с опорами 1 рамы 2 платформы. Наконечники 5 (фиг. 2) выполнены в форме лопатки и имеют цилиндрической часть «a» с обработанным под резьбу участком «d», плоскую часть «с», соединяющуюся с поясом 4 посредством сварного шва, и переходный от «а» к «c» участок «b». При этом отношение длины «f» необработанной части наконечника 5 к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм.
На фиг. 3 представлено распределение напряжений действующих на устройство крепления котла предлагаемой конструкции в сравнении с конструкцией, рассмотренной в прототипе.
-1
На фиг. 4 представлены графики распределения показателя отношения длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в зоне перехода от цилиндрической части наконечника к плоской, из которых видно: у предлагаемой по полезной модели конструкции – наблюдается равномерное распределение данного показателя по длине переходного участка, а у прототипа – явно видна зона возникновения концентрации местных напряжений вследствие наличия резких переходов геометрии конструкции, опускающаяся ниже значения, равного 0,175 мм.
2
Примером реализации предложенной полезной модели может быть конструкция хомута вагона-цистерны, закрепленного на опорах рамы платформы посредством упругих элементов и гаек, и имеющего штампованные наконечники с плавным переходом от цилиндрической части к плоской, при этом длина необработанной части наконечника может быть равна 286 мм, а площадь поперечного сечения на любом участке необработанной части не более 1590 мм. При этом плоская часть наконечника будет выполнена толщиной 10 мм, а толщина соединяемого с ней пояса хомута будет составлять 8 мм. Также угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски и угол между плоскостями первой и второй фаски составят 20° и 55° соответственно. При этом крепление хомутов к опорам рамы будет выполнено под углом 11° к продольной плоскости котла.