ХРЕБТОВАЯ БАЛКА

Область техники, к которой относится полезная модель
[0001] Предложенная полезная модель относится к хребтовым балкам рам железнодорожных транспортных средств, в частности, вагонов, например, вагонов-платформ.
Уровень техники
2
1
1
2
1
2
1
2
верх
низ
низ
верх
[0002] Из уровня техники известна хребтовая балка, раскрытая в патенте России № 84324 на полезную модель, опубл. 10.07.2009 г., принятая в качестве наиболее близкого аналога, включающая две концевые части, среднюю часть, верхнюю полку и нижнюю полку, при этом каждая концевая часть имеет высоту H, средняя часть расположена между концевыми частями и включает в себя центральный участок, имеющий высоту H, удовлетворяющую условию H>H, и два концевых участка, каждый из которых расположен между центральным участком и одной из концевых частей и высота каждого из которых плавно изменяется от H до H, отношение h высоты H к высоте H удовлетворяет условию h>1 и задано из диапазона от 1,5 до 1,7, верхняя полка имеет толщину S, нижняя полка имеет толщину S, отношение s толщины S к толщине S удовлетворяет условию s>1 и задана из диапазона от 1,3 до 1,5.
[0003] Недостатком известного технического решения является его повышенная материалоёмкость и масса, что приводит к увеличению массы тары и снижению грузоподъёмности железнодорожного транспортного средства, использующего его.
[0004] Технической проблемой является создание технического решения, в котором устранены недостатки известного аналога.
Раскрытие сущности полезной модели
[0005] Технический результат заключается в повышение грузоподъёмности вагона с рамой, содержащей хребтовую балку, высота которой в средней части больше, чем в её концевых частях, с сохранением заданной прочности.
2
1
1
2
1
2
1
2
верх
низ
низ
верх
верх
верх1
верх2
низ
низ1
низ2
tp
верх1
верх2
tp
bp
низ1
низ2
bp
[0006] Технический результат достигается за счёт того, что хребтовая балка содержит две концевые части, среднюю часть, верхнюю полку и нижнюю полку, при этом каждая концевая часть имеет высоту H, средняя часть расположена между концевыми частями и включает в себя центральный участок, имеющий высоту H, удовлетворяющую условию H>H, и два концевых участка, каждый из которых расположен между центральным участком и одной из концевых частей и высота каждого из которых плавно изменяется от H до H, отношение h высоты H к высоте H удовлетворяет условию h>1, верхняя полк имеет толщину S, нижняя полка имеет толщину S, отношение s толщины S к толщине S удовлетворяет условию s>1, верхняя полка выполнена переменной ширины B и имеет ширину B в центральном поперечном сечении и ширину B в каждом концевом участке средней части и в каждой концевой части, нижняя полка выполнена переменной ширины B и имеет ширину B в центральном поперечном сечении и ширину B в каждом концевом участке средней части, а отношение b ширины B к ширине B удовлетворяет условию 1,05≤b≤1,4, отношение b ширины B к ширине B удовлетворяет условию 1,05≤b≤1,4.
[0007] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что отношение h удовлетворяет условию h≥1,71.
[0008] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что отношение h удовлетворяет условию h≤2,7.
[0009] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что отношение s удовлетворяет условию s≥1,1.
[0010] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что отношение s удовлетворяет условию s≤1,29.
верх2
верх1
tp
tp
[0011] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что переход ширины от B до B выполнен плавным и под углом α, удовлетворяющим условию 4°≤α≤10°.
низ2
низ1
bp
bp
[0012] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что переход ширины от B до B выполнен плавным и под углом α, удовлетворяющим условию 4°≤α≤10°.
[0013] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что ширина нижней полки в каждой концевой части больше ширины нижней полки в каждом концевом участке средней части.
[0014] В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что ширина нижней полки в каждой концевой части равна ширине нижней полки в центральном участке средней части.
Краткое описание чертежей
[0015] Вариант выполнения предложенного технического решения характеризуется чертежами, где на:
[0016] - фиг. 1 представлен его вид сбоку,
[0017] - фиг. 2 представлен его вид сверху,
[0018] - фиг. 3 представлен его вид снизу,
[0019] - фиг. 4 представлено сечение А-А, отмеченное на фиг. 1,
[0020] - фиг. 5 представлено сечение Б-Б, отмеченное на фиг. 1,
[0021] - фиг. 6 представлено сечение В-В, отмеченное на фиг. 1,
[0022] - фиг. 7 представлен вид Г, отмеченный на фиг. 2,
[0023] - фиг. 8 представлен вид Д, отмеченный на фиг. 3.
Осуществление полезной модели
[0024] На фиг. 1-3 представлена рама 1 железнодорожного транспортного средства. Рама 1 железнодорожного транспортного средства представляет собой раму вагона платформы, выполнена симметричной относительно центрального поперечного сечения и в виде балочного каркаса, включающего в себя продольные балки и поперечные балки, соединённые с продольными балками посредством по меньшей мере одной известной из уровня техники сборочной операции, например, сваркой. Продольными балками являются хребтовая балка 2 и две боковые балки 3. Поперечными балками являются концевые балки 4, две шкворневые балки 5, расположенные между концевыми балками 4, и множество промежуточных поперечных балок 6, расположенных между шкворневыми балками 5.
2
1
1
2
1
2
[0025] Со ссылкой на фиг. 1-6, хребтовая балка 2 выполнена переменной высоты и переменной ширины и включает в себя две концевые части 7 и среднюю (промежуточную) часть 8, расположенную между упомянутыми концевыми частями 7 и между шкворневыми балками 5, соединённую с упомянутыми концевыми частями 7 и включающую в себя два концевых участка 9 и центральный участок 10, при этом центральный участок 10 средней части 8 выполнен с постоянной высотой и расположен между упомянутыми концевыми участками 9 средней части 8 и соединён с ними, а каждый концевой участок 9 средней части 8 хребтовой балки 2 выполнен с переменной высотой, увеличивающейся к центральному участку 10 средней части 8. Каждая концевая часть 7 имеет высоту H, средняя часть 8 расположена между концевыми частями 7 и включает в себя центральный участок 10, имеющий высоту H, удовлетворяющую условию H>H, и два концевых участка 9, каждый из которых расположен между центральным участком 10 и одной из концевых частей 7 и высота каждого из которых плавно изменяется от H до H.
1
2
[0026] Со ссылкой на фиг. 4-6, отношение h высоты H хребтовой балки 2 в средней части 8 на центральном участке 10 к её высоте H в концевых частях 7 составляет не менее 1,71 и не более 2,7, т.е. отношение h удовлетворяет условию 1,71≤h≤2,7.
[0027] Со ссылкой на фиг. 1-7, хребтовая балка 2 имеет коробчатое сечение и включает в себя верхнюю полку 11, нижнюю полку 12 и две стенки 13, при этом в каждой концевой части 7 хребтовая балка 2 имеет незамкнутое сечение, в средней части 8 хребтовая балка 2 имеет преимущественно замкнутое сечение, верхняя полка 11 ориентирована горизонтально и выполнена в виде листа, нижняя полка 12 ориентирована горизонтально, выполнена в виде листа и содержит два внешних участка 14, выступающих за пределы стенок 13, и внутренний участок 15, расположенный между стенками 13, а стенки 13 ориентированы вертикально и соединены с верхней полкой 11 и нижней полкой 12 посредством по меньшей мере одной известной из уровня техники сборочной операции, например, сваркой.
верх
низ
низ
верх
[0028] Со ссылкой на фиг. 4-6, верхняя полка 11 имеет толщину S, нижняя полка 12 имеет толщину S, при этом отношение s толщины S нижней полки 12 к толщине S верхней полки 11 составляет не менее 1,1 и не более 1,29, т. е. отношение s удовлетворяет условию 1,1≤s≤1,29.
верх
верх1
верх2
tp
верх1
верх2
tp
tp
[0029] Со ссылкой на фиг. 2, 4-7, верхняя полка 11 хребтовой балки 2 выполнена переменной ширины B и имеет ширину B в центральном участке 10 средней части 8 и ширину B в каждом концевом участке 9 средней части 8 и в каждой концевой части 7. Отношение b ширины B верхней полки 11 в центральном поперечном сечении хребтовой балки 2 (А-А) к ширине B верхней полки 11 хребтовой балки 2 в зоне перехода центрального участка 10 в концевой участок 9 средней части 8 составляет не менее 1,05 и не более 1,4, т.е. отношение b удовлетворяет условию 1,05≤b≤1,4.
верх
верх2
верх1
tp
tp
tp
[0030] На фиг. 7 представлена одна из зон изменения ширины B верхней полки 11. Переход ширины от B до B выполнен плавным и под углом α, составляющим не менее 4° и не более 10°, т.е. угол α удовлетворяет условию 4°≤α≤10°. Такая конфигурация зоны позволила снизить вероятность появления перенапряжений, которые снижают прочность и надёжность хребтовой балки 2.
низ
низ1
низ2
bp
низ1
низ2
bp
bp
[0031] Со ссылкой на фиг. 3-6, нижняя полка 12 хребтовой балки 2 выполнена переменной ширины B и имеет ширину B в центральном участке 10 средней части 8 и ширину B в каждом концевом участке 9 средней части 8 и в каждой концевой части 7 Отношение b ширины B нижней полки 12 в центральном поперечном сечении хребтовой балки 2 (А-А) к ширине B нижней полки 12 хребтовой балки 2 в зоне перехода центрального участка 10 в концевой участок 9 средней части 8 составляет не менее 1,05 и не более 1,4, т.е. отношение b удовлетворяет условию 1,05≤b≤1,4.
низ
низ2
низ1
bp
bp
bp
[0032] На Фиг. 8 представлена одна из зон изменения ширины B нижней полки 12. Переход ширины от B до B выполнен плавным и под углом α, составляющим не менее 4° и не более 10°, т.е. угол α удовлетворяет условию 4°≤α≤10°. Такая конфигурация зоны позволила снизить вероятность появления перенапряжений, которые снижают прочность и надёжность хребтовой балки 2.
[0033] Решение технической проблемы и достижение технического результата продемонстрированы выше со ссылкой на чертежи на варианте выполнения предложенного технического решения. Специалисту в данной области техники очевидны иные варианты выполнения тех или иных признаков предложенного технического решения с использованием иных известных из уровня техники материально-технических средств. Ниже описаны возможные варианты выполнения некоторых признаков предложенного технического решения.
[0034] Границы средней части 8 хребтовой балки 2 и центрального участка 10 хребтовой балки 2, обозначенные пунктирными линиями на Фиг. 1-3, являются условными, при этом очевидно, что их расположение является примерным и может быть иным в других вариантах выполнения предложенного технического решения.
[0035] В других вариантах выполнения предложенного технического решения по меньшей мере одна полка по меньшей мере одной балки балочного каркаса может представлять собой деталь, например, лист или полку (например, тавра или двутавра), сборочную единицу, например, по меньшей мере два листа или полки (например, тавра или двутавра), соединённых посредством по меньшей мере одной известной из уровня техники сборочной операции, например, сваркой, или по меньшей мере два расположенных на заданном расстоянии друг от друга элемента, например, полки (например, тавра, двутавра или зетового профиля).
1
2
1
1
2
[0036] Указанный ранее диапазон значений отношения h высоты H в средней части 8 на центральном участке 10 к высоте H на концевых частях 7 для варианта выполнения предложенного технического решения является предпочтительным. В других вариантах выполнения предложенного технического решения отношение h удовлетворяет условию h≥1,71, поскольку при h<1,71 не обеспечивается прочность средней части 8 предложенного технического решения. Ограничение сверху отношения h является предпочтительным, поскольку при отношении h>2,70 средняя часть 8 предложенного технического решения будет иметь излишний запас прочности, а материалоёмкость и масса конструкции предложенного технического решения будет расти за счёт излишнего увеличения её высоты H. Очевидно, что отношение h высоты H в средней части 8 на центральном участке 10 к высоте H на концевых частях 7 может быть больше 1, т.е. отношение h удовлетворяет условию h>1.
низ
верх
низ
низ
верх
[0037] Указанный выше диапазон значений отношения s толщины S нижней полки 12 к толщине S верхней полки 11 является предпочтительным, поскольку при выходе из него (s<1,1 или s>1,29) не достигается равномерное распределение напряжений, возникающих в предложенном техническом решении при действии эксплуатационных нагрузок. При условии обеспечения заданной прочности нижней полки 12 и s<1,1, верхняя полка 11 будет иметь излишний запас прочности, а материалоёмкость и масса предложенного технического решения не будет снижена. При условии обеспечения заданной прочности верхней полки 11 и s>1,29 нижняя полка 12 будет иметь излишний запас прочности, а материалоёмкость и масса предложенного технического решения не будет снижена и будет расти за счёт излишнего увеличения толщины S нижней полки 12. Толщина S нижней полки 12 больше толщины S верхней полки 11 (s>1) для того, чтобы верхняя полка 11 и нижняя полка 12 имели примерно равный запас прочности при действии эксплуатационных нагрузок. В других вариантах выполнения предложенного технического решения отношение s может удовлетворять условию s>1. Отношение s>1 в общем случае обусловлено тем, что нижняя полка 12 является более нагруженной, чем верхняя полка 11.
tp
верх1
верх2
tp
tp
верх1
tp
верх2
верх2
tp
верх1
верх1
[0038] Указанный ранее диапазон значений отношения b ширины B верхней полки 11 в центральном поперечном сечении вагона (А-А) к ширине B верхней полки 11 хребтовой балки 2 в зоне перехода центрального участка 10 в концевой участок 9 средней части 8 является предпочтительными, поскольку при выходе из него (1,05>b или 1,4<b) не достигается равномерное распределение напряжений, возникающих в предложенном техническом решении, при действии эксплуатационных нагрузок. При условии обеспечения прочности верхней полки 11 в зоне с шириной B и при b<1,05 верхняя полка 11 в зоне с шириной B будет иметь излишний запас прочности, а металлоёмкость и масса предложенного технического решения не будет снижена. При условии обеспечения прочности верхней полки 11 в зоне с шириной B и b>1,4 верхняя полка 11 в зоне с шириной B будет иметь излишний запас прочности, а металлоёмкость и масса предложенного технического решения будет расти за счёт излишнего увеличения ширины B верхней полки 11.
bp
низ1
низ2
bp
bp
низ1
bp
низ2
низ2
bp
низ1
низ1
[0039] Указанный ранее диапазон значений отношения b ширины B нижней полки 12 в центральном поперечном сечении вагона (А-А) к ширине B нижней полки 12 хребтовой балки 2 в зоне перехода центрального участка 10 в концевой участок 9 средней части 8 является предпочтительными, поскольку при выходе из него (1,05>b или 1,4<b) не достигается равномерное распределение напряжений, возникающих в предложенном техническом решении, при действии эксплуатационных нагрузок. При условии обеспечения прочности нижней полки 12 в зоне с шириной B и при b<1,05 нижняя полка 12 в зоне с шириной B будет иметь излишний запас прочности, а материалоёмкость и масса предложенного технического решения не будет снижена. При условии обеспечения прочности нижней полки 12 в зоне с шириной B и b>1,4 нижняя полка 12 в зоне с шириной B будет иметь излишний запас прочности, а материалоёмкость и масса предложенного технического решения будет расти за счёт излишнего увеличения ширины B нижней полки 12.
tp
bp
[0040] Указанные выше диапазоны значений отношения b и диапазон значений отношения b обусловлены эпюрой распределения изгибающего момента по длине предложенного технического решения - максимальный момент в центральном поперечном сечении (там должно быть сечение с наибольшим моментом сопротивления). От середины рамы 1 к шкворневым балкам 5 изгибающий момент уменьшается. Поэтому целесообразно уменьшить момент сопротивления сечений по мере удаления о середины предложенного технического решения, что позволяет уменьшить массу и материалоёмкость его конструкции. Уменьшение может реализовано за счёт уменьшения ширины верхней полки 11 и/или ширины нижней полки 12. Кроме того, данный подход уменьшает концентрацию напряжений в каждой зоне перехода от концевого участка 9 средней части 8 к центральному участку 10 средней части 8, что положительно сказывается на прочности предложенного технического решения.
tp
tp
tp
[0041] Указанный ранее диапазон значений угла α является предпочтительным, поскольку при α<4° не обеспечивается прочность верхней полки 11, а при 10°<α увеличивается концентрация напряжений, возникающих в верхней полке 11 при действии эксплуатационных нагрузок, и увеличивается металлоёмкость и масса верхней полки 11 и предложенного технического решения в целом.
bp
bp
bp
[0042] Указанный ранее диапазон значений угла α является предпочтительным, поскольку при α<4° не обеспечивается прочность нижней полки 12, а при 10°<α увеличивается концентрация напряжений, возникающих в нижней полке 12 при действии эксплуатационных нагрузок, и увеличивается материалоёмкость и масса нижней полки 12 и предложенного технического решения в целом.
[0043] Уширение в верхней полке 11 и уширение в нижней полке 12 позволило обеспечить заданную прочность в средней части 8 и исключить избыточный материал в других частях верхней полки 11 и в нижней полке 12 без снижения заданной прочности.
[0044] В других вариантах выполнения предложенного технического решения по меньшей мере один его элемент может быть выполнен из по меньшей мере одного известного из уровня техники материала, например, металлическим.
[0045] В других вариантах выполнения предложенного технического решения поперечное сечение на по меньшей мере одном или на каждом его сегменте может быть замкнуто. На нижней полке 12 может быть выполнено по меньшей мере одно отверстие или вырез, например, на по меньшей мере одном или каждом концевом участке 9 средней части 8 хребтовой балки 2. В по меньшей мере одной или каждой стенке 13 может быть выполнено по меньшей мере одно отверстие, например, для уменьшения массы и материалоёмкости. Очевидно, что в этих сегментах сечение предложенного технического решения будет незамкнутым.
[0046] В других вариантах выполнения предложенного технического решения расстояние между вертикальными стенками 13 может быть постоянным на всей его длине или переменным.
[0047] Хребтовая балка 2 (или рама 1) вагона, в частности вагона-платформы, наиболее нагружена в своей средней части 8 (или средней части рамы) вертикальными нагрузками (статическими и динамическими), действующими на хребтовую балку 2 (или раму) со стороны перевозимого груза. При этом хребтовую балку 2 можно упрощённо рассматривать как балку на двух опорах (опора на два пятника в зоне шкворневых балок 5). Вертикальные нагрузки от перевозимого груза создают изгибающий момент, действующий на хребтовую балку 2. Учитывая эпюру изгибающего момента, средняя часть 8 хребтовой балки 2 наиболее нагружена. Для обеспечения прочности момент сопротивления сечения при изгибе в средней части 8 хребтовой балки 2 должен быть больше, чем в консольных частях 7 (в которых изгибающий момент меньше, чем в средней части 8). Наибольшее увеличение момента сопротивления при изгибе даёт увеличение высоты поперечного сечения. Поэтому наиболее рациональным является увеличение высоты H поперечного сечения балки в средней части 8.
[0048] Увеличение высоты поперечного сечения хребтовой балки 2 в средней части 8 позволяет получить необходимый из условия прочности момент сопротивления при меньших толщинах стенок и полок. Т.е. несмотря на увеличение высоты H, площадь поперечного сечения уменьшена, а следовательно, уменьшена масса хребтовой балки 2.
[0049] В других вариантах выполнения предложенного технического решения ширина нижней полки 12 в каждой концевой части 7 может быть больше ширины нижней полки 12 в каждом концевом участке 9 средней части 8, при этом ширина нижней полки 12 в каждой концевой части 7 может быть равна ширине нижней полки 12 в центральном участке 10 средней части 8. Уширение нижней полки 12 также призвано обеспечить прочность концевой части 7 в случае, когда, например, в ней выполнен продольный вырез для размещения упоров и/или других деталей автосцепного устройства.
[0050] Снижение массы и материалоёмкости по меньшей мере одного элемента предложенного технического решения при сохранении его прочности по сравнению с аналогом положительно сказывается на повышении грузоподъёмности вагона в целом.
[0051] Предложенное техническое решение по сравнению с аналогом обладает меньшей материалоёмкостью, в частности металлоёмкостью и массой, но при этом сохранена заданная прочность. Использование предложенного технического решения в железнодорожных транспортных средствах вместо аналога снижает массу тары и повышает их грузоподъёмность. Предложенное техническое решение может быть использовано в известных из уровня техники вагонах, в частности, грузовых, например, вагонах-платформах.
[0052] Позиции на чертежах:
1 - рама
2 - хребтовая балка
3 - боковая балка
4 - концевая балка
5 - шкворневая балка
6 - промежуточная поперечная балка
7 - концевая часть хребтовой балки 2
8 - средняя часть хребтовой балки 2
9 - концевой участок средней части 8 хребтовой балки 2
10 - центральный участок средней части 8 хребтовой балки 2
11 - верхняя полка хребтовой балки 2
12 - нижняя полка хребтовой балки 2
13 - стенка хребтовой балки 2
14 - внешний участок нижней полки 12
15 - внутренний участок нижней полки 12