Результат интеллектуальной деятельности: БОКОВАЯ РАМА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЕЛЕЖКИ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается, в частности, конструкции боковой рамы железнодорожной тележки.

Известна конструкция боковой рамы тележки модели 18-100 железнодорожного грузового вагона [И.Ф.Пастухов, В.В.Лукин, Н.И.Жуков. «Вагоны», М.: Транспорт, 1988, стр.76], выполненная в виде стальной отливки, в средней части которой расположен рессорный проем, образованный верхним поясом, нижним горизонтальным поясом и двумя вертикальными колонками, на которых имеются направляющие для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев. В нижней части рессорного проема выполнена опорная поверхность для размещения рессорного комплекта, на которой отлиты бонки для установки и ограничители от смещения пружин. Наклонные пояса, как и вертикальные колонки, имеют в сечении корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок, а нижний и верхний пояса имеют в сечении коробчатую форму. На концах боковой рамы расположены буксовые проемы с наружными и внутренними челюстными направляющими. Внутренние челюстные направляющие сопряжены со средними элементами наклонных поясов рамы [Авторское свидетельство СССР №768683, B61F 5/52].

Недостатком данной конструкции рамы являются наблюдаемые в процессе эксплуатации трещины в зоне сопряжения вертикальных колонок с нижним поясом, развитие которых может привести к разрушению рамы. Это обуславливается уменьшением сечения нижнего пояса от поперечной центральной плоскости рамы к зоне перехода в наклонные пояса, тем самым нагрузки, воспринимаемые нижним поясом от рессорного комплекта, распределяются неравномерно по его длине, кроме того, резкий переход боковых стенок нижнего пояса в боковые стенки наклонных поясов вызывает повышенную концентрацию напряжений в указанном месте, а сама форма нижнего пояса в виде усеченной ромбической призмы лишь приводит к увеличению массы рамы, не обеспечивая необходимого запаса прочности в указанном поясе. Еще одним участком боковой рамы, где в процессе эксплуатации наблюдаются трещины, является зона сопряжения наклонного пояса с горизонтальным опорным участком буксового проема. Причинами возникновения повышенных напряжений в указанной зоне является выполнение буксового проема рамы, имеющего большую ширину, необходимую для размещения буксового узла тележки, а также совпадение преломления верхнего пояса в надбуксовую зону с вертикальной плоскостью, проходящей через зону сопряжения наклонный пояс-буксовый проем.

Также известна конструкция легковесной боковой рамы [US, патент №5410968 от 02.05.1995 г.] двутаврового сечения. Рама состоит из нижнего горизонтального пояса, верхнего пояса с загнутыми вверх концами, имеющих в сечении форму тавра, соединенных между собой вертикальными колонками, образуя рессорный проем. Нижний пояс соединен с наклонными поясами, которые совместно с загнутыми вверх концами верхнего пояса вливаются в буксовые проемы. Внутренние челюстные направляющие последних выполнены в виде L-образных кронштейнов, влитых в нижние полки наклонных поясов. На наружной и внутренней челюстных направляющих буксовых проемов имеются опорные приливы, ограничивающие перемещение буксового узла в проеме. В зонах перехода нижнего пояса в наклонные пояса с внутренней стороны рамы имеются П-образные ребра жесткости, являющиеся одновременно направляющими для триангелей тележки.

Двутавровая форма сечения рамы имеет существенные недостатки, возникающие в процессе эксплуатации. В частности, такая форма сечения не обеспечивает необходимой жесткости рамы в зоне буксовых проемов при вхождении тележки в кривую, как и вся конструкция в целом, плохо работающая на кручение. Кроме того, в случае предусмотренного крепления к горизонтальным опорным поверхностям буксовых проемов элементов, предотвращающих износ этих поверхностей, с помощью винтовых соединений, сечение в данном участке рамы будет дополнительно ослаблено, так как крепление будет возможно, как минимум, двумя винтами.

Вместе с этим известна конструкция боковой рамы тележки ASF ["Car and Locomotive Cyclopedia", Simmons-Boardman Publishing Corporation, N.Y., 1970]. Все пояса и несущие элементы рамы имеют коробчатое сечение. На нижнем поясе размещена опорная поверхность для установки рессорного комплекта. Боковые стенки нижнего пояса сопряжены с боковыми стенками наклонных поясов. В зоне сопряжения нижних элементов наклонных и нижних поясов выполнены технологические отверстия, а также усиливающие эту зону ребра жесткости [US, Патент №5718177 от 17.02.1998 г.]. Вертикальные колонки, соединяющие верхний и нижний пояса, сопряжены с ними с помощью радиусов. Верхний пояс имеет загнутые вверх концы, плавно переходящие в буксовые проемы рамы. На вертикальных стенках надбуксовой зоны отлиты опорные приливы, дополнительно ограничивающие перемещение буксовых узлов тележки.

Данная конструкция выбрана в качестве прототипа.

Использование рессорного комплекта с большим количеством пружин потребовало в конструкции прототипа выполнение нижнего пояса рамы более широким, к тому же в нижнем поясе по его длине выполнено центральное ребро жесткости и, как следствие, увеличение массы рамы. Кроме того, ребра, установленные в полости рамы в зоне сопряжения нижнего пояса с наклонными поясами, придают излишнюю жесткость раме в указанной зоне, увеличивая ее металлоемкость. Выполнение поясов и элементов рамы коробчатой формы с продольными ребрами во внутренней полости усложняет технологию ее изготовления, кроме того, для облегчения изготовления и снижения массы в конструкции выполнено большое количество отверстий в поясах рамы, являющихся дополнительными концентраторами напряжений, возникающими в процессе эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании конструкции боковой рамы железнодорожной тележки, имеющей повышенную надежность, путем перераспределения напряжений и снижения концентрации напряжений в критических местах рамы, наблюдаемых в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается следующим образом.

Нижний угол рессорного проема боковой рамы выполнен в виде ступенчатого перехода вертикальной колонки рамы в нижний горизонтальный пояс, вместе с этим верхняя поверхность перехода является продолжением перемычки, влитой в отбуртовку технологических отверстий рамы, и переходит в ограничители подклиновой пружины, наружная поверхность которых повторяет конфигурацию перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса. Переход боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса выполнен с помощью сопряженных между собой радиусов, а один из сопрягаемых радиусов перехода имеет центр, совпадающий с центром бонки подклиновой пружины. Кроме того, по контуру сочленения внутренней челюстной направляющей с наклонным поясом выполнена U-образная перемычка, образующая отверстие в наклонном поясе. Преломление верхнего горизонтального пояса и вертикальных боковых поверхностей рамы в надбуксовой зоне совпадает с поперечной опорной плоскостью опорного прилива внутренней челюстной направляющей. На вертикальных боковых стенках рамы в надбуксовой зоне выполнены опорные приливы, наружные поверхности которых расположены под углом к горизонтальной опорной поверхности буксового проема.

Сущность заявляемого изобретения заключается в то, что боковая рама железнодорожной тележки выполнена в виде стальной отливки, состоящей из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, в нижней части рессорного проема расположена опорная поверхность с бонками для установки и ограничителями от смещения пружин, наклонных поясов, сопряженных с нижним поясом и горизонтальными опорными участками буксовых проемов, имеющих наружные и внутренние челюстные направляющие. По контуру сочленения внутренней челюстной направляющей с наклонным поясом выполнена U-образная перемычка, образуя отверстие в наклонном поясе. Нижний угол рессорного проема выполнен в виде ступенчатого перехода вертикальной колонки рамы в нижний горизонтальный пояс, вместе с этим верхняя поверхность перехода является продолжением перемычки, влитой в отбуртовку технологических отверстий рамы и переходит в ограничители подклиновой пружины, наружная поверхность которых повторяет конфигурацию выполненного с помощью сопряженных между собой радиусов перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса. Один из сопрягаемых радиусов перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса имеет центр, совпадающий с центром бонки подклиновой пружины. Преломление верхнего горизонтального пояса и вертикальных боковых поверхностей рамы в надбуксовой зоне совпадает с поперечной опорной плоскостью опорного прилива внутренней челюстной направляющей. На вертикальных боковых стенках рамы в надбуксовой зоне выполнены опорные приливы, наружные поверхности которых расположены под углом к горизонтальной опорной поверхности буксового проема.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

фиг.1 - общий вид боковой рамы железнодорожной тележки с разрезом по продольной плоскости;

фиг.2 - вид сверху боковой рамы;

фиг.3 - вид снизу боковой рамы;

фиг.4 - разрез надбуксовой зоны по линии А-А фиг.1;

фиг.5 - аксонометрическая проекция боковой рамы с разрезом.

Боковая рама состоит из верхнего 1 и нижнего 2 горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками 3, образующими совместно с горизонтальными поясами 1 и 2 рессорный проем 31. Нижний пояс 2 рамы переходит в ее наклонные пояса 4, средние элементы 5 которых сопряжены с горизонтальными опорными участками 11 буксовых проемов 6. Каждый буксовый проем 6 состоит из внутренней 7 и наружной 8 челюстных направляющих с опорными приливами 9 и надбуксовой зоны 10. Внутренняя челюстная направляющая 7 сопряжена со средним элементом 5 наклонного пояса 4, имеющим в своем сечении, как и вертикальные колонки 3, корытообразную форму. По контуру сочленения внутренней челюстной направляющей 7 с наклонным поясом 4 выполнена U-образная перемычка 14, образующая отверстие в среднем элементе 5 наклонного пояса 4. Нижний 2 и верхний 1 пояса, а также надбуксовые зоны 10 имеют в сечении коробчатую форму. Сечение надбуксовой зоны 10 уменьшается по высоте и ширине в сторону наружной челюстной направляющей 8. На вертикальных боковых стенках 12 рамы надбуксовой зоны 10 выполнены опорные приливы 13, наружные поверхности которых расположены под углом α к горизонтальной опорной поверхности 32 буксового проема 6.

Боковые стенки 15 верхнего пояса 1, боковые стенки 16 нижнего пояса 2, а также боковые стенки 17 наклонных поясов 4 расположены параллельно продольной плоскости рамы. Боковые стенки 18 вертикальных колонок 3 совместно с боковыми стенками 17 наклонных поясов и боковыми стенками 15 верхнего горизонтального пояса 1 образуют две общие вертикальные боковые поверхности 19 рамы, в которых выполнены технологические отверстия 20, имеющие по своему контуру внутреннюю 21 и наружную 34 отбуртовки. Линии преломления 22 верхнего горизонтального пояса 1 и боковых поверхностей 19 рамы в надбуксовой зоне 10 совпадают с поперечной опорной плоскостью 23 опорного прилива 9 внутренней челюстной направляющей 7.

Внизу рессорного проема 31 имеется опорная поверхность 24 для размещения рессорного комплекта тележки, на которой отлиты бонки 25 для установки и ограничители 26 от смещения пружин, в том числе бонки 28 и ограничители 27 подклиновых пружин.

Нижний угол рессорного проема 31 выполнен в виде ступенчатого перехода 33 вертикальной колонки 3 рамы в нижний горизонтальный пояс 2. Верхняя поверхность 29 перехода 33 является продолжением перемычки 30, влитой в отбуртовку 21 технологических отверстий 20, выполненных в боковых поверхностях 19 рамы. По краям ступенчатого перехода 33 верхняя поверхность 29 его вливается в ограничители подклиновой пружины 27. Наружная поверхность ограничителя подклиновой пружины 27 повторяет конфигурацию выполненного с помощью сопряженных между собой радиусов R1 и R1 перехода боковой стенки 16 нижнего пояса в боковую стенку 17 наклонного пояса. Радиус R1 имеет центр, совпадающий с центром бонки 28 подклиновой пружины.

Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в том, что создана конструкция боковой рамы железнодорожной тележки с улучшенными прочностными, ресурсными и эксплуатационными характеристиками путем перераспределения напряжений и снижения уровня концентрации напряжений в критических местах рамы, наблюдаемых в процессе эксплуатации.

Выполнение преломления верхнего горизонтального пояса и вертикальных боковых поверхностей рамы в надбуксовой зоне в месте, совпадающем с поперечной опорной плоскостью опорного прилива внутренней челюстной направляющей, позволило перераспределить напряжения, появляющиеся в зоне сопряжения горизонтального опорного участка буксового проема с наклонным поясом, и, как результат, уменьшить уровень концентрации напряжений и повысить запас усталостной прочности рамы в указанной зоне.

U-образная перемычка в зоне сочленения внутренней челюстной направляющей с наклонным поясом, образующая отверстие в наклонном поясе, также позволила перераспределить и снизить напряжения, возникающие в зоне сопряжения горизонтального опорного участка буксового проема с наклонным поясом, без значительного увеличения массы рамы.

Выполнение наружных поверхностей опорных приливов, расположенных на вертикальных стенках рамы в надбуксовой зоне, под углом к горизонтальной опорной поверхности буксового проема увеличивает площадь опирания боковой рамы на буксовый узел тележки и дополнительно позволяет стабилизировать положение колесной пары в буксовом проеме боковой рамы.

Ступенчатый переход вертикальной колонки в нижний горизонтальный пояс позволил перераспределить существующие напряжения и уменьшить уровень концентрации напряжений в зоне нижнего угла рессорного проема.

Выполнение верхней поверхности ступенчатого перехода продолжением перемычки, влитой в отбуртовку технологических отверстий, и переход этой поверхности в ограничители подклиновой пружины позволили дополнительно передать нагрузку, воспринимаемую нижним поясом, наклонному поясу.

Переход боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса в виде сопряженных между собой радиусов обеспечивает плавное соединение этих несущих элементов рамы без возникновения концентраторов напряжений в зоне перехода.

Повторение наружной поверхностью боковой ветви ограничителя подклиновой пружины конфигурации радиусного перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса позволяет использовать боковую ветвь ограничителя подклиновой пружины в качестве дополнительного элемента жесткости в зоне радиусного перехода.

Совпадение центра одного из радиусов перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса с центром бонки подклиновой пружины позволило равномерно распределить напряжения, возникающие в зоне перехода от действия подклиновых пружин на равноудаленном расстоянии от центра действия силы.

В настоящее время на данную конструкцию боковой рамы железнодорожной тележки разработана конструкторская документация, по которой изготовлены опытные образцы, проходящие всесторонние испытания.