Надрессорная балка тележки грузового вагона
Изобретение относится к конструктивным элементам тележек грузовых вагонов. Надрессорная балка содержит верхний пояс, нижний пояс и боковые стенки. На верхнем поясе расположены опорные площадки под боковые скользуны и цилиндрический подпятник. Нижний пояс выполнен с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания, которые переходят в наклонные пояса через утолщенные зоны. Верхний пояс соединен с нижним поясом вертикальными продольными ребрами. Вертикальные ребра выполнены разной толщины. Толщина вертикальных ребер в зоне упругих элементов и цилиндрического подпятника увеличена. Радиус скругления переходов наклонных стенок карманов в опорные поверхности больше радиуса скругления переходов вертикальных стенок в опорные поверхности. Достигается повышение прочности надрессорной балки тележки грузового вагона. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в конструкции надрессорных балок тележек.
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с подпятником и опорными площадками под боковые скользуны, нижний пояс с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания, переходящими в наклонные пояса, две боковые стенки, соединяющие верхний и нижний пояса, карманы для установки фрикционных клиньев в концевых частях надрессорной балки, каждый из которых образован наклонной и двумя вертикальными стенками (см. US 20040031413 А1, опубл. 19.02.2004).
Известна усиленная железнодорожная надрессорная балка, содержащая верхний пояс с подпятником, нижний пояс, две боковые стенки, соединяющие верхний и нижний пояса, два вертикальных продольных ребра постоянной толщины, соединенных с верхним и нижним поясами, и два горизонтальных продольных ребра, расположенных между вертикальными продольными ребрами сверху и снизу по ширине подпятника (см. US 3482531 A, опубл. 09.12.1969).
Известна также принятая в качестве наиболее близкого аналога надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс, выполненный с подпятником и опорными площадками под боковые скользуны, нижний пояс, выполненный с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания, переходящими в наклонные пояса, боковые стенки, соединяющие верхний и нижний пояса, два вертикальных ребра, расположенных по всей длине балки между верхним и нижним поясами, карманы для установки фрикционных клиньев в концевых частях надрессорной балки, каждый из которых образован одной наклонной и двумя вертикальными стенками, выполненными со скругленными переходами в нижний пояс, при этом нижний пояс выполнен с постоянной толщиной в зонах перехода опорных поверхностей в наклонные пояса, а вертикальные ребра выполнены увеличивающимися по толщине в горизонтальном направлении, к центру надрессорной балки, в зоне под подпятником (см. RU 118275 U1, опубл. 20.07.2012).
Техническая проблема, не решаемая при использовании известных конструкций, заключается в недостаточной несущей способности надрессорных балок, при которой не обеспечивается прочность в зонах формирования концентраторов напряжений. Такими зонами надрессорной балки являются зоны перехода опорных поверхностей под упругие элементы рессорного подвешивания в наклонные пояса, которые (зоны перехода) расположены под боковыми скользунами и в которых наблюдаются изломы в поперечном сечении надрессорной балки. Другой зоной повышенных напряжений является зона подпятника ниже верхнего пояса надрессорной балки, испытывающая усиленные эксплуатационные нагрузки. Зонами формирования концентраторов напряжения являются также места расположения карманов для фрикционных клиньев, в центральных частях которых надрессорные балки особенно ослаблены и подвержены образованию поперечных трещин и изломов.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении прочности надрессорной балки тележки грузового вагона.
Технический результат достигается за счет того, что надрессорная балка тележки грузового вагона, так же как и наиболее близкий аналог, содержит верхний пояс, выполненный с подпятником и опорными площадками под боковые скользуны, нижний пояс, выполненный с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания в концевых частях, переходящими в наклонные пояса, боковые стенки, соединяющие верхний и нижний пояса, вертикальные продольные ребра, расположенные между верхним и нижним поясами и выполненные с увеличением толщины в зоне подпятника, карманы для установки фрикционных клиньев в концевых частях надрессорной балки, каждый из которых образован одной наклонной стенкой и двумя вертикальными стенками, причем переходы наклонных и вертикальных стенок в опорные поверхности нижнего пояса внутри надрессорной балки выполнены скругленными. В отличие от наиболее близкого аналога, нижний пояс выполнен с увеличением толщины в зонах перехода опорных поверхностей в наклонные пояса, вертикальные продольные ребер выполнены дополнительно с увеличением толщины в верхней части зоны подпятника, скругленные переходы наклонных стенок в опорные поверхности нижнего пояса выполнены радиусом, превышающим радиус скругленных переходов вертикальных стенок в указанные опорные поверхности.
В частных формах реализации надрессорной балки нижний пояс выполнен с увеличением толщины опорных поверхностей, составляющей 15-25 мм, и толщины наклонных поясов, составляющей 20-30 мм, до толщины в зонах перехода опорных поверхностей в наклонные пояса, составляющей 30-40 мм.
В частных формах реализации надрессорной балки вертикальные продольные ребра выполнены с увеличением толщины в горизонтальном направлении от 10-20 мм в концевых частях надрессорной балки до толщины 20-30 мм в зоне подпятника и с увеличением толщины в вертикальном направлении от 20-30 мм в нижней части зоны подпятника до 30-40 мм в верхней части зоны подпятника.
В частных формах реализации надрессорной балки скругленные переходы в нижний пояс наклонных стенок и вертикальных стенок карманов выполнены радиусами R1 и R2, составляющими 30-50 мм и 10-20 мм, соответственно.
Изобретение представлено на чертежах, где изображено:
на фиг. 1 - надрессорная балка тележки грузового вагона, главный вид;
на фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 – разрез Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 – разрез В-В на фиг. 3,
на фиг. 5 – разрез 1-1 на фиг. 4;
на фиг. 6 – разрез 2-2 на фиг. 4;
на фиг. 7 – разрез 3-3 на фиг. 4.
Надрессорная балка тележки грузового вагона (фиг. 1, 2, 3, 4) изготовлена из cтали 20 ГФЛ и содержит верхний пояс 1, нижний пояс 2, боковые стенки 3, соединяющие верхний 1 и нижний 2 пояса, вертикальные продольные ребра 4, расположенные между верхним 1 и нижним 2 поясами, карманы 5 для установки фрикционных клиньев в концевых частях надрессорной балки. В боковых стенках 3 и вертикальных продольных ребрах 4 выполнены сквозные технологические отверстия (позициями не показано).
Верхний пояс 1 надрессорной балки выполнен с цилиндрическим подпятником 1.1 в центральной части и с опорными площадками 1.2 под боковые скользуны в концевых частях надрессорной балки. Цилиндрический подпятник 1.1 выполнен с упорным кольцевым буртом 1.1.1 и плоской опорной поверхностью 1.1.2.
Нижний пояс 2 надрессорной балки выполнен с опорными поверхностями 2.1 под упругие элементы рессорного подвешивания, переходящими в наклонные пояса 2.2 через зоны 2.3. Толщина s.2.1 опорных поверхностей 2.1 составляет 15-25 мм, толщина s2.2 наклонных поясов 2.2 составляет 20-30 мм, толщина s2.3 зон 2.3 составляет 30-40 мм (фиг. 3). Увеличение величины толщины s2.1 до величины толщины s2.3 выполнено на участке длиной L2', составляющей 230-300 мм, а величины толщины s2.2 до величины толщины s2.3 - на участке длиной L2'', составляющей 120-180 мм. Величины длины L2' и длины L2'' измеряются относительно соответствующей зоны 2.3. Выполнение значений толщин s2 нижнего пояса 2 и длин L2 переменных по толщине участков менее нижних граничных значений указанных диапазонов не обеспечивает несущую способность надрессорной балки; выполнение указанных параметров со значениями более верхних граничных значений указанных диапазонов нецелесообразно с позиции увеличения металлоемкости конструкции. Выполнение нижнего пояса переменной толщины с предлагаемым утолщением зон перехода от опорных поверхностей под упругие элементы рессорного подвешивания в наклонные пояса позволяет повысить несущую способность, обеспечивающую статическую и усталостную прочность данных зон концентрации напряжений при эксплуатации надрессорной балки в составе тележки грузового вагона.
Между верхним 1 и нижним 2 поясами выполнены два вертикальных продольных ребра 4, расположенных параллельно друг другу по длине надрессорной балки между зонами 2.3 и переходящими в одно ребро над опорными поверхностями 2.1. Ребра 4 имеют переменную толщину, увеличивающуюся в горизонтальном направлении в зоне подпятника 1.1 последовательно с увеличением толщины от s4 до s4' и до s4''. Ребра 4 имеют переменную толщину, увеличивающуюся также в вертикальном направлении от нижней к верхней части зоны подпятника 1.1 с увеличением толщины от s4' и до s4''. Вертикальные продольные ребра 4 (фиг. 2, 3, 4) выполнены в концевых частях балки толщиной s4, составляющей 10-20 мм, в нижней части зоны подпятника 1.1 толщиной s4', составляющей 20-30 мм, и в верхней части зоны подпятника 1.1 под верхним поясом 1 толщиной s4'', составляющей 30-40 мм. В горизонтальном направлении увеличение толщины s4 до толщины s4' выполнено симметрично с обеих сторон надрессорной балки на участках длиной L4, составляющей 10-30 мм; при этом длина L4 измеряется в направлении к центру надрессорной балки относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси О-О надрессорной балки и расположенной на расстоянии не более 5 мм за пределами наружной стенки упорного кольцевого бурта 1.1.1 подпятника 1.1 от точки пересечения указанной наружной стенки с продольной осью О-О. Расположение указанной плоскости на расстоянии более 5 мм смещает начало увеличения толщины вертикальных продольных ребер 4 дальше за пределы подпятника 1.1, где увеличение толщины не оказывает существенного влияния на повышение прочности в зоне подпятника. Увеличение толщины s4' до толщины s4'' в горизонтальном направлении выполнено на участках длиной L4', составляющей 50-70 мм; при этом длина L4' измеряется в направлении от центра надрессорной балки относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси О-О надрессорной балки и расположенной на расстоянии не более 5 мм за пределами внутренней стенки упорного кольцевого бурта 1.1.1 подпятника 1.1 от точки пересечения указанной внутренней стенки с продольной осью О-О. Расположение указанной плоскости на расстоянии более 5 мм смещает начало увеличения толщины вертикальных продольных ребер 4 ближе к центру плоской опорной поверхности 1.1.1 подпятника 1.1 и, тем самым, может снизить прочность в зоне подпятника. Выполнение значений толщин s вертикальных продольных ребер 4 и длин L менее нижних граничных значений указанных диапазонов снижает несущую способность надрессорной балки; выполнение указанных параметров со значениями более верхних граничных значений указанных диапазонов увеличивает металлоемкость конструкции. В вертикальном направлении увеличение толщины s4' до толщины s4'' выполнено в зоне подпятника 1.1 на участке длиной L4'', составляющей 50-70 мм, при этом длина L4'' измеряется от середины высоты вертикальных продольных ребер 4 в направлении верхнего пояса 1. Выполнение вертикальных продольных ребер переменной толщины с плавным утолщением в направлении верхнего пояса позволяет исключить формирование концентраторов напряжений в зоне подпятника при эксплуатации надрессорной балки в составе тележки грузового вагона и, тем самым, повышается прочность надрессорной балки.
В каждой из концевых частей надрессорной балки выполнено по два кармана 5 для установки фрикционных клиньев (фиг. 4). Каждый из карманов 5 образован одной наклонной стенкой 5.1 и двумя вертикальными стенками 5.2. Внутри надрессорной балки наклонные 5.1 и вертикальные 5.2 стенки соединены с нижним поясом 2 в местах опорных поверхностей 2.1 скругленными переходами, выполненными с радиусами R1 и R2, соответственно. В зонах двух углов между наклонной 5.1 и вертикальными стенками 5.2 скругленные переходы выполнены с переменным радиусом R3. Величина радиуса R1 составляет 30-50 мм (фиг. 5); величина радиуса R2 составляет 10-20 мм (фиг. 6); величина радиуса R3 плавно изменяется в диапазоне от 10-20 мм в месте сопряжения с радиусом R1 до 30-50 мм в месте сопряжения с радиусом R2 (фиг. 7). При выполнении радиусов R1, R2 и R3 менее нижних граничных значений указанных диапазонов возможно формирование концентраторов напряжений в местах указанных скругленных переходов; выполнение радиусов R1, R2 и R3 со значениями более верхних граничных значений указанных диапазонов уменьшает поверхности наклонной и вертикальных стенок, предназначенных для контакта с фрикционными клиньями, что снижает эксплуатационную надежность надрессорной балки. снижает несущую способность надрессорной балки. Выполнение радиуса R1 превышающим радиус R2 позволяет существенно снизить вероятность изломов в зонах карманов для установки фрикционных клиньев и образования поперечных трещин в стенках карманов и, тем самым, упрочнить надрессорную балку.
Предлагаемые значения увеличения толщины s2 нижнего пояса 2, увеличения толщины s4 вертикальных продольных ребер 4 и радиусов R скругленных переходов вертикальных стенок в опорные поверхности карманов 5 рассчитаны с использованием итеративного метода проектирования.
Надрессорная балка тележки грузового вагона работает следующим образом.
Силы от кузова грузового вагона воздействуют на надрессорную балку через подпятник 1.1 и опорные площадки 1.2 под боковые скользуны. От надрессорной балки нагрузка на боковые рамы тележки передается через опорные поверхности 2.1 под упругие элементы рессорного подвешивания. Указанные участки надрессорной балки, являющиеся зонами формирования концентраторов напряжений, усилены предлагаемыми конструктивными решениями, что позволяет повысить несущую способность и прочность надрессорной балки тележки грузового вагона.
1. Надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс, выполненный с подпятником и опорными площадками под боковые скользуны, нижний пояс, выполненный с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания в концевых частях, переходящими в наклонные пояса, боковые стенки, соединяющие верхний и нижний пояса, вертикальные продольные ребра, расположенные между верхним и нижним поясами и выполненные с увеличением толщины в зоне подпятника, карманы для установки фрикционных клиньев в концевых частях надрессорной балки, каждый из которых образован одной наклонной стенкой и двумя вертикальными стенками, причем переходы наклонных и вертикальных стенок в опорные поверхности нижнего пояса внутри надрессорной балки выполнены скругленными, отличающаяся тем, что нижний пояс выполнен с увеличением толщины в зонах перехода опорных поверхностей в наклонные пояса, вертикальные продольные ребра выполнены дополнительно с увеличением толщины в верхней части зоны подпятника, скругленные переходы наклонных стенок в опорные поверхности нижнего пояса выполнены радиусом, превышающим радиус скругленных переходов вертикальных стенок в указанные опорные поверхности.
2. Надрессорная балка по п. 1, отличающаяся тем, что нижний пояс выполнен с увеличением толщины опорных поверхностей, составляющей 15-25 мм, и толщины наклонных поясов, составляющей 20-30 мм, до толщины в зонах перехода опорных поверхностей в наклонные пояса, составляющей 30-40 мм.
3. Надрессорная балка по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные продольные ребра выполнены с увеличением толщины в горизонтальном направлении от 10-20 мм в концевых частях надрессорной балки до толщины 20-30 мм в зоне подпятника и с увеличением толщины в вертикальном направлении от 20-30 мм в нижней части зоны подпятника до 30-40 мм в верхней части зоны подпятника.
4. Надрессорная балка по п. 1, отличающаяся тем, что скругленные переходы наклонных стенок и вертикальных стенок карманов в опорные поверхности нижнего пояса выполнены радиусами R1 и R2, составляющими 30-50 мм и 10-20 мм, соответственно.
