Результат интеллектуальной деятельности: Корпус поглощающего аппарата

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается устройств, предназначенных для поглощения энергии взаимодействия единиц подвижного состава.

Известен корпус поглощающего аппарата и аппарат с его применением [Патент на изобретение RU 2735558 С1 от 03.11.2020г.], образованный днищем и сопряженными между собой стенками, образующими горловину, с котором днище и стенки сопряжены между собой ребрами, при этом стенки вблизи днища выполнены в форме выпуклых наружных арок, снабженных вершинами и основаниями, при этом ребра ориентированы наружу и расположены по одному у каждой вершины и у каждого основания.

Также известен поглощающий аппарат железнодорожного вагона, имеющий большой рабочий ход [Патент на изобретение RU 2225306 С2 от 10.03.2004г.], содержащий корпус с закрытой концевой частью и противоположной открытой концевой частью, между которыми проходит главная ось, при чем указанная открытая концевая часть выполнена со сходящимися на конус внутрь удлиненными фрикционными поверхностями, а также содержащий воспринимающий усилия клин, установленный с возможностью осевого перемещения в открытой концевой части корпуса, фрикционные элементы, расположенные в корпусе между клином и внутренними фрикционными поверхностями и способные контактировать с клином и внутренней фрикционной поверхностью для поглощения ударной нагрузки, возникающей при приложении усилия к клину. Пружинный упор, прилегающий к фрикционным элементам, и пакет эластомерных подушек, установленный между закрытой концевой частью корпуса и пружинным упором для воздействия через упор на фрикционные элементы для обеспечения их контакта с клином и внутренней фрикционной поверхностью, при этом фрикционные элементы выполнены в виде комплекта размещенных по окружности фрикционных башмаков, каждый из которых имеет наклонную внутреннюю поверхность, контактирующий с наклонной внутренней поверхностью клина, причем наклонная внутренняя поверхность фрикционного башмака и внутренняя поверхность клина расположены относительно главной оси корпуса под углом 35±3°, каждый из фрикционных башмаков имеет наклонную поверхность, контактирующую с удлиненными сходящимися на конус внутренними фрикционными поверхностями, причем наклонная наружная поверхность и удлиненная сходящаяся на конус внутренняя фрикционная поверхность расположены относительно оси пол углом 2,25±0,25°, каждый из фрикционных башмаков имеет плоскую внутреннюю поверхность, контактирующую с плоской наружной поверхностью, с которой выполнен указанный пружинный упор, причем плоская внутренняя поверхность фрикционных башмаков и плоская наружная поверхность упора расположены относительно оси корпуса под углом 90±4°.

Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.

Недостатком вышеуказанных конструкций является небольшая толщина стенок корпуса аппарата в месте контакта поверхностей фрикционных клиньев с внутренней поверхностью корпуса. Это приводит к выработке поверхностей корпуса в процессе эксплуатации и к критическому уменьшению толщины стенок, что может привести к выходу из строя аппарата. Тем самым снижается надежность и уменьшается срок службы аппарата.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции корпуса поглощающего аппарата, позволяющей повысить надежность и стабильность работы поглощающего аппарата за счет увеличения запаса прочности в критических зонах горловины и снизить материальные затраты на ремонт.

Поставленная задача решается путём того, что внутренний шестигранник горловины корпуса развернут относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса.

Сущность изобретения заключается в том, что корпус поглощающего аппарата, выполненный в виде стальной отливки, включающий стакан с прямоугольным основанием, ребра, выполненные у основания корпуса, расположенные с меньшей стороны прямоугольного основания корпуса, при этом горловина корпуса выполнена в виде шестигранника и внутри горловины выполнены три выступа, которые равноудалены друг от друга по периметру горловины, внутренний шестигранник горловины корпуса развернут относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса.

При этом, угол раствора плоских поверхностей каждого клина выполнен на 1,5° больше, чем угол раствора плоских поверхностей шестигранника горловины, к которому клин примыкает.

Кроме того, прямоугольное основание корпуса поглощающего аппарата по краям с ребрами имеет толщину в 1,5 раза больше, чем толщина основания в центре корпуса.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 – Корпус поглощающего аппарата (общий вид);

Фиг. 2 – Корпус поглощающего аппарата (вид сверху);

Фиг. 3 – Корпус поглощающего аппарата (вид сверху с клиньями);

Фиг. 4 – Корпус поглощающего аппарата (разрез А-А);

Фиг. 5 – Поля распределения эквивалентных напряжений в ребрах корпуса поглощающего аппарата;

Фиг. 6 – Поля распределения эквивалентных напряжений в основании корпуса поглощающего аппарата;

Фиг. 7 – Поля распределения эквивалентных напряжений внутри горловины корпуса поглощающего аппарата (сечение горловины);

Фиг. 8 – Поля распределения эквивалентных напряжений снаружи горловины корпуса поглощающего аппарата (сечение горловины).

Корпус поглощающего аппарата, выполненный в виде стальной отливки, включает стакан 1 с прямоугольным основанием 2, ребра 3, выполненные у основания 2 корпуса, расположенные с меньшей стороны А прямоугольного основания 2 корпуса, при этом горловина 4 корпуса выполнена в виде шестигранника 5 и внутри горловины выполнены три выступа 6, которые равноудалены друг от друга по периметру горловины 4, внутренний шестигранник 7 горловины 4 корпуса развернут относительно внешнего шестигранника 5 корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии 8 одного из выступов 6.1, расположенного внутри горловины 4 корпуса совпадает с поперечной осью 9 большей стороны В прямоугольного основания 2 корпуса.

При этом, угол α раствора плоских поверхностей 10 каждого клина выполнен на 1,5° больше, чем угол β раствора плоских поверхностей 11 внутреннего шестигранника 7 горловины 4, к которому клин примыкает.

Кроме того, прямоугольное основание 2 корпуса поглощающего аппарата по краям А с ребрами 3 имеет толщину S в 1,5 раза больше, чем толщина S1 основания 2 в центре корпуса.

Корпус поглощающего аппарата работает следующим образом.

Под действием ударной нагрузки фрикционные клинья прижимаются к стенкам аппарата. После определенного времени эксплуатации поглощающего аппарата в местах контакта фрикционных клиньев со стенками корпуса аппарата будет наблюдаться выработка поверхностей стенок. После достижения максимальной выработки наблюдается критическое уменьшение толщины стенок корпуса, что приводит к возникновению растрескиваний корпуса, и следовательно может привести к выходу из строя аппарата. Применение корпуса с увеличенной толщиной стенок в месте контакта с фрикционными клиньями позволяет уменьшить износ стенок корпуса, предотвратить появление усталостных трещин и деформации корпуса.

Сохранение прочности корпуса поглощающего аппарата подтверждено расчетом прочности, который проведен в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» и ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам». Оценка напряженного состояния корпуса производилась на основе метода конечных элементов (МКЭ) в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench 18.2. Оценка прочности упора проведена по следующей схеме:

- на действие максимальной силы сжатия поглощающего аппарата при соударении грузовых вагонов Р = 3,5 МН, передающейся в продольном направлении. Прикладывается к нажимному конусу и через клинья передается на корпус аппарата.

В качестве зон измерения значений эквивалентных напряжений были выбраны зоны наиболее нагруженные для рассматриваемого расчетного режима. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах корпуса поглощающего аппарата при действии расчетных нагрузок представлены на фигурах 4-7.

Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что выполнение внутреннего шестигранника горловины корпуса развернутым относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32° таким образом, что ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса, позволяет распределить контактные напряжения от фрикционных клиньев на поверхности корпуса с наибольшим сечением, что, в свою очередь, позволяет уменьшить напряжения, возникающие в корпусе, в частности в горловине, во время работы, обеспечивает менее нагруженный режим эксплуатации детали за счет увеличения запаса прочности в критических зонах горловины, и, соответственно, снижает вероятность появления усталостных трещин, изломов горловины корпуса в эксплуатационный период, а так же положительно сказывается на надежности и безотказности работы аппарата в целом, при этом происходит снижение материальных затрат в рамках рекламационной деятельности.

Выполнение угла раствора плоских поверхностей каждого клина на 1,5° больше, чем угол раствора плоских поверхностей шестигранника горловины, к которому клин примыкает, гарантирует обеспечение контакта плоских поверхностей клина исключительно с ответными плоскими поверхностями шестигранника корпуса и исключает контакт вышеуказанных деталей по радиусам перехода во время приработки аппарата, что так же позволяет распределить контактные напряжения от фрикционных клиньев на поверхности корпуса с наибольшим сечением. Данное решение так же обеспечивает равномерную приработку аппарата по фрикционным поверхностям, недопущение контакта корпуса и фрикционных клиньев во время его приработки по переходным радиусам, т.е. в местах корпуса с наименьшим сечением, позволяет избежать преждевременного критического износа горловины корпуса в месте переходных радиусов, что, в свою очередь позволяет не только увеличить безотказный период работы детали за счет направленного износа внутренних поверхностей горловины корпуса, но и снизить материальные затраты на ремонт.

Выполнение прямоугольного основания корпуса поглощающего аппарата по краям с ребрами толщиной в 1,5 раза больше, чем толщина основания в центре корпуса позволяет снизить напряжения в центре основания корпуса от воздействия блока упругих элементов аппарата; снизить напряжения, распределяемые от основания корпуса на продольные ребра жесткости, исключить места концентрации напряжений, что обеспечивает увеличение безотказного периода работы детали, и возможность восприятия в том числе сверхнормативных нагрузок без деформаций основания.

В подтверждение данного утверждения, в таблице 1 приведены сравнительные данные по напряжениям, возникающие в заявляемой конструкции корпуса поглощающего аппарата и в конструкции корпуса с параллельными гранями наружного и внутреннего шестигранника горловины. Также указана величина снижения напряжений за счет применения указанного технического решения в конструкции корпуса поглощающего аппарата.

В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и ведутся всесторонние испытания опытных образцов.

Таблица 1 – Сравнительная таблица напряжений заявляемой конструкции корпуса поглощающего аппарата и конструкции корпуса с параллельными гранями наружного и внутреннего шестигранника горловины.