Узел сопряжения обвязки рамы и боковой или торцевой панели кузова полувагона из алюминиевых сплавов
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкции кузова грузового вагона. Узел сопряжения выполнен в виде упругого замкового соединения. Профиль обвязки (1) рамы имеет два наружных выступа (4) Г-образной формы. На концах стенок боковой или торцевой панели (2) выполнены два выступа (3), противоположно направленные выступам обвязки рамы. Два наружных выступа Г-образной формы обвязки рамы ориентированы в разных направлениях, при этом выступы боковой или торцевой панели расположены внутри панели. Расстояние (L) от рабочей поверхности контакта выступов панели до ближайшего ребра жесткости определяют по математическому выражению. Фиксируется взаимное расположение элементов рамы и кузова при защелкивании упругого замка, что позволяет предотвратить деформацию и взаимное перемещение элементов в процессе сварки, повышается надежность работы соединения за счет разгрузки сварного шва в результате полной или частичной передачи нагрузки через выступы на сопрягаемых элементах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкции кузова грузового вагона, выполненного из полых прессованных панелей из алюминиевых сплавов.
Благодаря высокой скорости истечения при прессовании ряда алюминиевых сплавов предоставляется возможность изготавливать сложные элементы для крепления деталей кузовов вагонов. В связи с тем, что полые алюминиевые панели очень широко применяются в пассажирском вагоностроении, имеется большой опыт по изготовлению достаточно сложных узлов сопряжения.
Известна конструкция пола пассажирского вагона, в которой для обеспечения бесступенчатой опорной поверхности пола с точным геометрическим замыканием между плитой пола и нижней поверхностью кузова вагона удерживающий профиль выполнен с выемкой для размещения соединяющего элемента и снабжен, по крайней мере, одним глухим отверстием, в которое под давлением вводится упругая прокладка для осуществления компенсации существующих различий между металлической плитой настила и плитой пола (см. DE №19927006, B62D 25/20, 2001).
Другим направлением, относящимся к конструкции кузова рельсового транспортного средства и обеспечивающим качественное соединение элементов пола, боковых стен и крыши, является использование протяженных клеммных профилей, охватывающих соединяемые части с двух сторон, а затем каждая пара противоположно лежащих профилей скрепляется болтами. Для осуществления требуемого соединения конструктивных групп применены также направляющие из алюминиевого сплава с поперечным сечением в виде ласточкиного хвоста (см. DE №19628305, B61D 17/00, 1998).
Данное техническое решение дает возможность отказаться от сложных мероприятий по центрированию элементов соединения и позволяет производить быструю замену конструктивных групп лишь с частичным демонтажом кузова, что существенно сокращает время ремонта.
В конструкциях кузова вагона для монтажа изолирующего слоя к алюминиевым полым стенам в некоторых технических решениях предусмотрены специальные крепежные профили и опорные шайбы (см. US №6196136, B61D 17/00, 2001).
Для улучшения внешнего вида мест сочленения боковых стен с крышей при изготовлении кузова вагона применяются также специально изготовленные виды профилей (см. US №5488770, B61D 17/04, 1996).
Известен пассажирский вагон модульной конструкции из полых профилей с наклонными ребрами жесткости, имеющий специальные стыковочные узлы, которые после сварки образуют мощную продольную балку замкнутого сечения с рядом горизонтальных и вертикальных ребер (см. ЕР №1213201, B61D 17/04, 2002).
Оригинальный узел сопряжения предложен для сборки облегченного пассажирского вагона из алюминиевых полых прессованных панелей, соединяемых между собой сваркой, в котором промежуточный элемент обеспечивает жесткое сопряжение боковой стенки и крыши кузова (см. ЕР №1043206, B61D 17/04, 2000). Известны также различные виды сопряжения узлов грузовых вагонов, где используются специальные прессованные элементы стыков для более плотного их прилегания (US №4800820, B61D 17/00, 1989; US №5070793, B61D 17/08, 1991; US №5584252, B61D 25/00, 1996; US №4633787, B61D 9/08, 1987).
К недостаткам известных технических решений можно отнести:
- необходимость точной установки элементов кузова перед сваркой в специальных конструкторах и струбцинах для фиксации их взаимного расположения,
- повышенные напряжения в сварных соединениях при статической и динамической нагрузке, поскольку усилия от одного элемента кузова к другому передаются через сварные швы.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в фиксации взаимного расположения элементов рамы и кузова при защелкивании упругого замка, что позволяет предотвратить деформацию и взаимное перемещение элементов в процессе сварки. Кроме того, изобретение направлено на повышение надежности работы соединения за счет разгрузки сварного шва в результате полной или частичной передачи нагрузки через выступы на сопрягаемых элементах.
Указанный технический результат достигается в техническом решении, касающемся узла сопряжения обвязки рамы и боковой или торцевой панели кузова полувагона, изготовленных из алюминиевых сплавов методом прессования, в котором узел выполнен в виде упругого замкового соединения, при этом профиль обвязки рамы имеет два наружных выступа Г-образной формы, а на концах стенок боковой или торцевой панели выполнены два выступа, противоположно направленные выступам обвязки рамы.
Дополнительные отличия состоят в том, что два наружных выступа Г-образной формы обвязки рамы ориентированы в разных направлениях, при этом выступы боковой или торцевой панели расположены внутри панели.
Кроме того, рабочая поверхность контакта выступов панели и обвязки рамы может быть расположена горизонтально или под углом к горизонтали, равным 10-15°.
Расстояние (L) от рабочей поверхности контакта выступов панели до ближайшего ребра жесткости определяют по соотношению:
L=(1,5aEh/σт)0,5, где
а - ширина выступа панели, см,
Е - модуль упругости алюминиевого сплава, из которого изготовлена панель, кг/см,
h - толщина стенки панели, см,
σт - предел текучести алюминиевого сплава, кг/см2.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено соединение обвязки рамы и боковой или торцевой панели стены кузова полувагона в виде упругого замка, на фиг.2 представлен один из вариантов монтажа соединения обвязки рамы и боковой или торцевой панели, на фиг.3 представлен второй вариант монтажа соединения обвязки рамы и боковой или торцевой панели.
На фиг.1 представлено соединение обвязки 1 рамы и боковой или торцевой панели 2 стены кузова. На боковой или торцевой панели 2 стены кузова в процессе прессования панелей изготовлены выступы 3 для плотного прилегания их к выступам 4 Г-образной формы, изготовленным в процессе прессования профиля обвязки 1 рамы.
В предлагаемой конструкции узла сопряжения обвязки 1 рамы и боковой или торцевой панели 2 стены кузова полувагона, изготовленных путем прессования алюминиевых сплавов, использован принцип упругого замка (защелки).
В процессе сборки кузова полувагона обвязка 1 рамы, имеющая два выступа Г-образной формы, фиг.1, соединяется с боковой или торцевой панелью 2 стены кузова, имеющей два выступа, противоположно направленных выступам обвязки рамы, путем их совмещения таким образом, чтобы произошло защелкивание упругого замка, образуемого Г-образными выступами, расположенными на обвязке 1 рамы, и выступами на боковых или торцевых панелях 2.
Соединение обвязки рамы с панелями осуществляется после сборки рамы и боковой или торцевой стены кузова. Возможны два варианта сборки:
- панель 2 стены кузова устанавливается вертикально, фиг.2, относительно обвязки 1 рамы, которая расположена горизонтально, и производится нажатие вертикальной силой P1 для защелкивания упругого замка;
- панель 2 стены кузова устанавливают под некоторым углом к вертикали (порядка 10-15°), фиг.3, один выступ панели 2 заводят в паз Г-образного выступа обвязки 1 рамы, прикладывают боковое усилие Р2 или поворачивают боковую стену и раму так, чтобы упругий замок защелкнулся под действием момента сил, возникающих за счет собственного веса боковой стены и рамы.
После защелкивания упругого замка производят выравнивание по вертикали боковых и торцевых стен и сварку боковых или торцевых панелей с обвязкой рамы с наружной и внутренней стороны. При этом нет необходимости в дополнительных устройствах для фиксации относительного расположения свариваемых элементов.
Конфигурация упругого замкового соединения должна соответствовать следующим требованиям:
- положение рабочих поверхностей контакта выступов панели и Г-образных выступов обвязки рамы должно быть горизонтальным или под углом не более 15° к горизонтали, чтобы обеспечить передачу вертикальной нагрузки от рамы на боковую панель и разгрузить продольные сварные швы, соединяющие эти элементы, от вертикальной нагрузки, которая возникает при загрузке вагона;
- Г-образные выступы обвязки рамы, выступы боковых или торцевых панелей стен кузова должны иметь монтажные скосы, обеспечивающие защелкивание упругого замка без дополнительных приспособлений;
- конструкция выступов, толщина и длина стенок панели до ближайшего ребра жесткости должна обеспечивать защелкивание упругого замка без пластической деформации панели.
Защелкивание упругого замка без пластической деформации обеспечивается при выполнении следующего соотношения между размерами элементов, образующих упругое замковое соединение и пределом текучести материала панели:
или 
где
а - ширина выступа панели, см,
Е - модуль упругости алюминиевого сплава, из которого изготовлена панель, кг/см2,
h - толщина стенки панели, см,
σт - предел текучести алюминиевого сплава, кг/см2,
z - расстояние от центра тяжести стенки панели до ее края, равное половине толщины плоской стенки панели (z=0,5h), см.
L - расстояние от рабочей поверхности контакта выступов панели до ближайшего ребра жесткости, фиг.2, см.
Усилие защелкивания упругого замка при первом варианте сборки равно:
где b - длина панели, см,
h - толщина стенки панели, см,
cos α - косинус угла между вертикалью и нормалью к поверхности контакта Г-образных выступов обвязки рамы и выступов панели в процессе упругой деформации перед защелкиванием упругого замка.
Например, с помощью упругого замка необходимо выполнить соединение обвязки рамы и боковой стены кузова из панелей длиной b=12 м. Панель изготовлена из алюминиевого сплава с пределом текучести σт=2000 кг/см2, модуль упругости Е=7·105 кг/см2, толщина стенки панели h=0,5 см, прогиб стенки панели в момент защелкивания упругого замка равен ширине выступа панели а=0,5 см.
Решая уравнение (1) относительно L, получаем расстояние до ближайшего ребра жесткости L=11,5 см, а решая уравнение (2) относительно P1, получаем усилие нажатия для защелкивания упругого замка P1 порядка 5000 кг.
При защелкивании упругого замка по второму варианту величина бокового усилия Р2, приложенного на уровне верхней обвязки панели, может составить не более 200 кг.
1. Узел сопряжения обвязки рамы и боковой или торцевой панели кузова полувагона, изготовленных из алюминиевых сплавов методом прессования, отличающийся тем, что он выполнен в виде упругого замкового соединения, при этом профиль обвязки рамы имеет два наружных выступа Г-образной формы, а на концах стенок боковой или торцевой панели выполнены два выступа, противоположно направленных выступам обвязки рамы, при этом расстояние (L) от рабочей поверхности контакта выступов панели до ближайшего ребра жесткости определяют по соотношению:
L=(1,5aEh/σт)0,5,
где а - ширина выступа панели, см;
Е - модуль упругости алюминиевого сплава, из которого изготовлена панель, кг/см2;
h - толщина стенки панели, см;
σт - предел текучести алюминиевого сплава, кг/см2.
2. Узел сопряжения по п.1, отличающийся тем, что два наружных выступа Г-образной формы обвязки рамы ориентированы в разных направлениях, при этом выступы боковой или торцевой панели расположены внутри панели.
3. Узел сопряжения по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность контакта выступов панели и обвязки рамы расположена горизонтально или под углом к горизонтали, равным 10-15°.
