ШКВОРНЕВОЙ УЗЕЛ РАМЫ ГРУЗОВОГО ВАГОНА Российский патент 2021 года по МПК B61F1/02 B61F1/08 

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции рамы грузового железнодорожного вагона, в частности, конструкций узла соединения хребтовой балки со шкворневой балкой.

Известна конструкция рамы кузова универсального восьмиосного полувагона модели 12-541 [И.Ф.Пастухов, В.В.Лукин, Н.И.Жуков. "Вагоны". М.: "Транспорт", 1988 г., стр.171], состоящая из хребтовой, концевых, шкворневых и промежуточных балок.

Конструкция шкворневого узла включает хребтовую балку сваренную из двух зетобразных профилей №31, которые в месте соединения перекрыты двутавром №19, и шкворневую балку, сваренную из вертикальных листов толщиной 8 мм, горизонтального верхнего гофрированного листа толщиной 10 мм, нижнего изогнутого листа толщиной 14 мм, к которому крепятся пятник и скользуны, при этом надпятниковая зона шкворневого узла рамы усилена надпятниковой коробкой, а скользуны выполнены литыми без возможности установки на них съемных регулировочных пластин.

Недостатком вышеописанной конструкции является ее низкая надежность при интенсивной эксплуатации с повышенными нагрузками, что проявляется в возникновении трещин в соединении шкворневой и хребтовой балок. Одной из основных проблем данной конструкции является изломы и трещины нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок в раме железнодорожного вагона.

Для устранения изломов и трещин нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок, при деповских и капитальных ремонтах железнодорожных вагонов, применяют три способа ремонта, указанных в нормативном документе «Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов» [стр. 128 – 130, электронный адрес источника https://www.ldz.lv/lv/system/files/06_KV_Padome_63_7%20p_p.p.2.2_Piel.%2060.pdf], включающих:

- заварку трещин или изломов нижнего листа шкворневой балки с постановкой усиливающей накладки, при этом допускаемое расстояние от начала трещины или излома до границы крайнего элемента хребтовой балки не менее 100 мм;

- или усиление накладкой нижнего листа шкворневой балки в местах постановки пятника, при наличии трещины на расстоянии менее 100 мм от хребтовой балки или замена половины листа с постановкой уравнительных накладок на скользуны, при этом толщина уравнительных накладок должна соответствовать толщине усиливающей накладки;

- или частичная (не более половины длины нижнего листа) или полная замена нижнего листа шкворневой балки, также при частичной замене нижнего листа стык усиливают накладкой.

Данные способы устранения дефектов нижнего листа шкворневой балки, возникших в результате эксплуатации вагона, являются трудоемкими, при этом целостность основного элемента конструкции, нижнего листа шкворневого узла рамы, полностью нарушается. Заварка трещин и изломов на нижнем листе шкворневой балки, а также последующая постановка различных усиливающих накладок приводит к различным концентрациям напряжений в конструкции, что в свою очередь приводит опять к образованию трещин и изломов в уже отремонтированном шкворневом узле рамы, также необоснованно увеличивается масса вагона.

Вместе с этим, известна конструкция шкворневого узела рамы грузового вагона [патент РФ на полезную модель № 142976, опубликованный 10.07.2014 г.], включающая сопряженные хребтовую и шкворневую балки. Нижние полки хребтовой балки связаны между собой пластиной, на которую установлен подпятник, к нижним полкам жестко присоединены трапециевидные листы. Нижняя полка шкворневой балки соединена внахлест с трапециевидными листами, трапециевидный лист имеет большую толщину, чем нижняя полка шкворневой балки. Ширина нижней полки шкворневой балки в зоне соединения с трапециевидным листом равна 0,8-1 ширины меньшего основания трапециевидного листа.

Недостатком данной конструкции, является также полное нарушение целостности основного элемента конструкции, нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок, и как следствие концентрация напряжений в конструкции, и образование трещин и изломов нижнего листа.

Кроме того, известна конструкция рамы кузова полувагона [патент РФ на полезную модель № 170397, опубликованный 24.04.2017 г.], состоящая из хребтовой балки с закрепленными поперечными концевыми, промежуточными, шкворневыми балками. В зоне соединения шкворневой балки и хребтовой балки установлены усиливающие элементы и косынки. Усиливающие элементы выполнены в виде продольных пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки. Каждая пластина соединена встык с нижним листом шкворневой балки и приварена к нижней полке Z-образного профиля хребтовой балки. Каждая косынка выполнена скругленной формы и соединена с помощью сварки со шкворневой балкой и с усиливающим элементом, причем между каждой косынкой и соответствующим усиливающим элементом образован плавный переход.

Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.

Недостатком конструкции шкворневого узла является приварка косынки к шкворневой балке и к усиливающему элементу, что создает кромочные напряжения, не по радиусу скругления косынки, а по сварным швам, которыми косынка приваривается к шкворневой балке и к усиливающему элементу. Кромочные напряжения по сварным швам приварки косынки, в свою очередь, способствуют образованию усталостных трещин по нижнему листу в зоне между пятником и скользуном, развиваясь от кромки нижнего листа шкворневой балки листа и продвигаясь к середине листа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании конструкции шкворневого узла рамы грузового вагона, которая обеспечит повышение прочности узла в целом, а также повышение прочности крайней части нижнего листа шкворневой балки в зоне между пятником и скользуном.

Поставленная задача решается за счет того, что с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с отступом от боковой грани нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка. Изогнутая накладка одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки, на которую установлен пятник, а другой поверхностью изогнутая накладка установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки. Внешняя боковая грань изогнутой накладки, направленная в сторону к боковой грани нижнего листа шкворневой балки, выполнена повторяющей контур боковой грани нижнего листа шкворневой балки. У изогнутой накладки одна торцевая поверхность жестко соединена со скользуном, посредством сварки, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки.

Сущность заявляемого изобретения, заключается в том, что шкворневой узел рамы грузового вагона, содержит хребтовую балку с нижними полками и надпятниковым усилением, шкворневую балку с изогнутым нижним листом, скользунами и пятником, при этом с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с отступом от боковой грани нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки, причем одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки.

При этом внешняя боковая грань изогнутой накладки, направленная в сторону к боковой грани нижнего листа шкворневой балки, выполнена повторяющей контур боковой грани нижнего листа шкворневой балки

Также внешняя боковая грань изогнутой накладки установлена от боковой грани нижнего листа шкворневой балки на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм, а сами изогнутые накладки выполнены шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм и в плане, каждая изогнутая накладка выполнена с прямоугольным участком и дугообразным участком, при этом на прямом участке изогнутой накладки выполнены радиусы скругления.

Кроме того, на полках хребтовой балки жестко закреплены усиливающие элементы, выполненные в виде пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки и каждый из которых жестко соединен встык с нижним листом шкворневой балки, при этом с одной стороны нижнего листа шкворневой балки, относительно продольной оси шкворневой балки установлены усиливающие элементы, имеющие большую длину, а с другой стороны имеющие меньшую длину, причем изогнутые накладки установлены со стороны усиливающих элементов, имеющих большую длину.

Вместе с этим, изогнутые накладки установлены к каждой боковой грани нижнего листа шкворневой балки, в зоне между скользуном и пятником.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом:

Фиг. 1 – шкворневой узел рамы грузового вагона (вид снизу).

Шкворневой узел рамы грузового вагона, содержит хребтовую балку 1 с нижними полками 2, 3 и надпятниковым усилением 4, шкворневую балку 5 с изогнутым нижним листом 6, имеющим уширение, по меньшей мере, от скользуна 7 к пятнику 8. С каждой стороны хребтовой балки 1 относительно продольной оси 9, с отступом от боковой грани 10 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, между скользуном 7 и пятником 8 жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка 11. Изогнутая накладка 11 одной поверхностью установлена на поверхность 12 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, на которую установлен пятник 8, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность 13 нижнего листа 6 шкворневой балки 5. Внешняя боковая грань 14 изогнутой накладки 11, направленная в сторону к боковой грани 10 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, выполнена повторяющей контур боковой грани 10 нижнего листа 6 шкворневой балки 5. Изогнутая накладка 11 одной торцевой поверхностью 15 жестко соединена со скользуном 7, а другой торцевой поверхностью 16 расположена на расстоянии от пятника 8 не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка 11 приварена к нижнему листу 6 шкворневой балки 5.

Внешняя боковая грань 14 изогнутой накладки 11 установлена от боковой грани 10 нижнего листа 6 шкворневой балки 5 на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм. Сами изогнутые накладки 11 выполнены шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм. В плане (вид снизу шкворневого узла), каждая изогнутая накладка 11 выполнена с прямоугольным участком 17 и дугообразным участком 18, при этом на прямом участке изогнутой накладки выполнены радиусы скругления.

Также изогнутые накладки 11 установлены к каждой боковой грани 10 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, в зоне между скользуном 7 и
пятником 8.

На полках 2, 3 хребтовой балки 1 жестко закреплены усиливающие элементы 19, 20, 21, 22, выполненные в виде пластин, ориентированных параллельно оси 9 хребтовой балки 1, каждый из которых жестко соединен встык с нижним листом 6 шкворневой балки 5. С одной стороны нижнего листа 6 шкворневой балки 5, относительно продольной оси 23 шкворневой балки 5 установлены усиливающие элементы, имеющие большую длину, это - усиливающие элементы 19, 20, а с другой стороны имеющие меньшую длину, это - усиливающие элементы 21, 22, причем изогнутые накладки 11 установлены со стороны усиливающих элементов 19, 20, имеющих большую длину.

Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что выполнение шкворневого узла рамы грузового вагона, в котором с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с отступом от боковой грани нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки, при этом одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки, обеспечивает повышение прочности шкворневого узла в целом, а также повышение прочности крайней части нижнего листа шкворневой балки в зоне между пятником и скользуном. Данное техническое решение позволяет конструктивно, за счет изогнутых накладок (силовых элементов), связать дополнительно основные элементы конструкции рамы вагона и шкворневого узла, а именно хребтовую балку со скользунами.

Прочностной расчет вагона со шкворневым узлом рамы, в котором
не установлены изогнутые накладки показывает, что максимальные напряжения на нижнем листе шкворневой балки от пятника к скользуну увеличиваются в следующей прогрессии: т.1 = 159,37 МПа, т.2 = 192,14 МПа,
т.3 = 204,03 МПа, т.4 = 220,98 МПа, а при установленных изогнутых накладках на нижнем листе шкворневой балки напряжения снижаются в следующей прогрессии (те же точки замеров): т.1 = 116,18 МПа, т.2 = 157,88 МПа,
т.3 = 168,90 МПа, т.4 = 188,04 МПа. Данный факт позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение шкворневого узла рамы железнодорожного вагона повышает прочность конструкции, в точках:

- т.1 на 27,1%,

- т.2 на 17,83%,

- т.3 на 17,22%,

- т.4 на 14,91%,

Вместе с этим, выполнение внешней боковой грани изогнутой накладки, направленной в сторону к боковой грани нижнего листа шкворневой балки, повторяющей контур боковой грани нижнего листа шкворневой балки и установка изогнутой накладки внешней боковой гранью от боковой грани нижнего листа шкворневой балки на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм, обеспечивает максимальный положительный технический результат от применения предлагаемого технического решения, так как при установке изогнутой накладки на расстоянии 7 – 25 мм, не происходит оплавление кромки нижнего листа шкворневой балки в районе приварки изогнутой накладки, и в то же время изогнутая накладка не удалена от края нижнего листа шкворневой балки на столько, чтобы перестать укреплять край детали, что позволяет увеличить прочность конструкции шкворневого узла рамы грузового вагона.

Также изготовление изогнутых накладок шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм, обеспечивает минимальное повышение прочности.

Установка изогнутых накладок к каждой боковой грани нижнего листа шкворневой балки, в зоне между скользуном и пятником, обеспечивает повышение прочности с обеих сторон шкворневого узла.

Выполнение каждой изогнутой накладки в плане, с прямоугольным участком и дугообразным участком, при этом на прямом участке изогнутой накладки выполнены радиусы скругления, позволяет обеспечить минимальную концентрацию напряжений в месте приварки изогнутой накладки, что также повышает прочность узла.

Установка на полках хребтовой балки жестко закрепленных усиливающих элементов, выполненных в виде пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки и каждый из которых жестко соединен встык с нижним листом шкворневой балки, при этом с одной стороны нижнего листа шкворневой балки, относительно продольной оси шкворневой балки установлены усиливающие элементы, имеющие большую длину, а с другой стороны имеющих меньшую длину, позволяет усилить конструкцию шкворневого узла рамы железнодорожного вагона с той стороны шкворневого узла, которая более нагружена, что тоже повышает прочность конструкции рамы. Также, с этой же целью, изогнутые накладки устанавливаются со стороны усиливающих элементов, имеющих большую длину.

В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и проведены всесторонние испытания опытных образцов, начат выпуск установочной партии вагонов.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к шкворневым узлам рамы грузового вагона. Шкворневой узел содержит хребтовую балку с надпятниковым усилением и шкворневую балку. На изогнутом нижнем листе шкворневой балки установлены пятник и скользуны. С каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси жестко закреплены изогнутые накладки с отступом от боковой грани нижнего листа. Одна часть накладки приварена к нижнему листу шкворневой балки возле пятника. Другая часть накладки приварена к нижнему листу шкворневой балки и к скользуну. Расстояние от торца накладки до пятника составляет не менее чем величина катета сварного шва. Повышается прочность шкворневого узла. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Шкворневой узел рамы грузового вагона, содержащий хребтовую балку с нижними полками и надпятниковым усилением, шкворневую балку с изогнутым нижним листом, скользунами и пятником, отличающийся тем, что с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с отступом от боковой грани нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена по меньшей мере одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки, вместе с этим одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки.

2. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п. 1, отличающийся тем, что внешняя боковая грань изогнутой накладки, направленная в сторону к боковой грани нижнего листа шкворневой балки, выполнена повторяющей контур боковой грани нижнего листа шкворневой балки

3. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п .1, отличающийся тем, что внешняя боковая грань изогнутой накладки установлена от боковой грани нижнего листа шкворневой балки на расстоянии в интервале от 7 до 25 мм.

4. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п. 1, отличающийся тем, что изогнутые накладки выполнены шириной не менее 50 мм и толщиной
не менее 6 мм.

5. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п. 1, отличающийся тем, что изогнутая накладка, в плане, выполнена с прямоугольным участком и дугообразным участком, при этом на прямом участке изогнутой накладки выполнены радиусы скругления.

6. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п. 1, отличающийся тем, что на полках хребтовой балки жестко закреплены усиливающие элементы, выполненные в виде пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки, и каждый из которых жестко соединен встык с нижним листом шкворневой балки, при этом с одной стороны нижнего листа шкворневой балки, относительно продольной оси шкворневой балки, установлены усиливающие элементы, имеющие большую длину, а с другой стороны имеющие меньшую длину.

7. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п. 6, отличающийся тем, что изогнутые накладки установлены со стороны усиливающих элементов, имеющих большую длину.

8. Шкворневой узел рамы грузового вагона по п.1, отличающийся тем, что изогнутые накладки установлены к каждой боковой грани нижнего листа шкворневой балки, в зоне между скользуном и пятником.