[1]Заявленная полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции железнодорожных цистерн, а именно конструкции хомутов, при помощи которых котел вагона-цистерны фиксируется относительно рамы вагона-цистерны.
[2]Известна конструкция железнодорожной цистерны [В.В. Лукин «Конструирование и расчет вагонов», Москва, УКМ МПС России, 2000, стр. 575], которая содержит раму с ходовой частью и котел. Котел на раме крепится в средней части и в концевых ее частях. Для предотвращения продольных смещений средняя часть котла жестко связана с рамой фасонными лапами, приваренными к нижней части котла и соединенными призонными болтами с лапами хребтовой балки рамы вагона-цистерны. Концевые части котла свободно лежат на деревянных брусках, укрепленных болтами в металлических желобах опор, установленных на шкворневых балках рамы. Для ограничения вертикальных и поперечных перемещений котла предусмотрены стяжные хомуты, состоящие из пояса хомута в виде стальной полосы, охватывающей котел по образующей. К поясу хомута приварены с обеих сторон наконечники в виде круглых стержней, которые имеют с одной стороны, резьбовую часть, а с другой конусообразную часть, соединенную с поясом хомута двумя нахлесточными фланговыми швами и одним лобовым швом. Через резьбовую часть наконечника хомут крепится к неподвижной опоре рамы вагона-цистерны.
[3]Известно устройство для крепления котла железнодорожной цистерны на раме платформы [Патент РФ на изобретение №2207260, опубликован 27.06.2003, фиг.5], охватывающий котел хомут, состоящий из пояса и наконечников с резьбой, которые посредством упругих элементов и гаек соединены с ложементами рамы платформы, отличающееся тем, что оно снабжено фиксатором хомута от поворота вокруг своей продольной оси, позволяющим продольное перемещение хомута.
[4]Недостатком данных конструкции является концентрация напряжений по линии сплавления лобового шва приварки наконечника к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений во фланговых и лобовом шве, возникающих из-за внецентренного растяжения и изгиба в результате необходимости обеспечения предварительного натяжения хомута при закреплении котла на раме вагона-цистерны с учетом динамических напряжений, возникающих при движении вагона-цистерны. Концентрация напряжения по линии сплавления лобового шва, превышающих предел выносливости, приводит к появлению начальной трещины по линии сплавления лобового шва, ее развитию в процессе эксплуатации и, как следствие, обрыву пояса хомута, что, в свою очередь, может привести к аварии на железных дорогах.
[5]Также известно устройство для крепления котла к раме вагона-цистерны [Патент РФ на полезную модель №179895, опубликован 28.05.2017], включающее стяжной хомут, охватывающий котел, прикрепленный с обоих концов к опорам рамы платформы, и состоящий из пояса и наконечников с резьбой, которые соединены с опорами рамы вагона-цистерны, отличающееся тем, что в месте приварки пояса хомута к наконечнику установлена накладка, которая имеет П-образный профиль, вертикальные ребра которой параллельны оси наконечника, а горизонтальное ребро накладки перпендикулярно оси наконечника и располагается на расстоянии не менее 20 мм от лобового шва приварки наконечника к поясу хомута, при этом вертикальные ребра накладки расположены таким образом, что ее торцевые поверхности находятся на расстоянии не менее 50 мм от лобового шва наконечника, а высота накладки h больше ширины накладки s, при этом накладка располагается симметрично относительно оси пояса хомута.
[6]Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
[7]Недостатком вышеописанной конструкции является повышенная металлоемкость устройства крепления котла железнодорожного вагона-цистерны обусловленная наличием дополнительной накладки в зоне расположения лобового шва, предотвращающей возникновение концентрации напряжений по линии сплавления в лобовом шве приварки наконечника к поясу хомута, предотвращая усталостное разрушение пояса хомута.
[8]Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы с обеспечением снижения металлоемкости при сохранении требуемой эксплуатационной надежности, исключающей концентрацию напряжений по линии сплавления лобового шва.
[9]Техническим результатом, от применения предлагаемой полезной модели, является снижение металлоемкости при повышении требуемого уровня надежности и прочности конструкции.
[10]Технический результат достигается за счет того, что в конструкции устройства крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы применены штампованные наконечники, выполненные в форме лопатки, имеющей цилиндрическую часть, с обработанным под резьбу участком, плоскую часть для соединения с поясом посредством сварного шва и переходной участок от цилиндрической к плоской части, при этом отношение длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм-1. Применение наконечников предложенной конструкции позволяет достичь снижения металлоемкости за счет отсутствия дополнительных накладок и применения оптимального параметра отношения длины необработанной поверхности наконечника к площади поперечного сечения и его равномерного распределения по длине в зоне перехода от цилиндрической части к плоской части. Также, за счет того, что соединение наконечников и пояса выполнено посредством сварки двух плоских элементов прямым сварным швом, достигается снижение значения и равномерное распределение максимального напряжения по всему сварному шву, в отличие от рассмотренной в прототипе конструкции, имеющей различные напряжения по зонам сварки с максимальными значениями по лобовому шву. Кроме того, в предлагаемой конструкции количество и длина сварных соединений наконечника и пояса значительно меньше, что, в свою очередь, влияет на повышение надежности и снижение материалоемкости конструкции.
[11]Вариант выполнения пояса толщиной меньше толщины плоской части наконечника позволяет снизить металлоемкость хомута и конструкции в целом. Выполнение толщины пояса меньше толщины плоской части наконечника обусловлено тем, что плоской частью наконечника воспринимается большая часть напряжений, равномерно распределяющихся в дальнейшем по сварному шву и далее по поясу.
[12]Вариант выполнения на торце плоской части наконечника двух последовательно выполненных фасок так, что угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски составляет диапазон от 18° до 22°, а угол между плоскостями первой и второй фасок составляет диапазон от 50° до 60°, способствует повышению надежности сварного шва, соединяющего наконечник и пояс хомута, за счет полного провара металла и, как следствие, обеспечения качественного сварного соединения.
[13]Вариант закрепления хомутов к опорам рамы платформы так, что наконечники фасками направлены в сторону котла, также способствует повышению эксплуатационной надежности. В процессе эксплуатации котел вагона-цистерны под действием нагрузок изменяет свою геометрию, и, в конечном счете, влияет на изменение напряжений в хомутах. Направление наконечников фасками к котлу позволяет снизить в основном сварном шве, уровень растягивающих напряжений, образующихся на внешней поверхности хомутов и заменить их сжимающими напряжениями, являющимися менее опасными.
[14]Вариант крепления хомутов к опорам рамы под углом к продольной вертикальной плоскости котла в диапазоне значений от 10° до 12° способствует более надежному креплению котла, в отличие от крепления под 90° к горизонтали, за счет большей площади прилегания пояса хомута к котлу. Также данный вариант требует меньшей длины пояса хомута в отличие от вариантов закреплений под большими углами, а, следовательно, позволяет снизить металлоемкость и массу конструкции.
[15]Сущность заявляемой полезной модели, заключается в том, что устройство крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы, включающее охватывающий котел хомут, состоящий из пояса и штампованных наконечников с резьбой, которые посредством упругих элементов и гаек соединены с опорами рамы платформы, при этом, штампованные наконечники выполнены в форме лопатки, имеющей цилиндрическую часть, с обработанным под резьбу участком, плоскую часть для соединения с поясом посредством сварного шва и переходной участок от цилиндрической к плоской части, при этом отношение длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм-1.
[16]Возможно выполнение пояса хомута толщиной меньше толщины плоской части наконечника. Также на торце плоской части наконечника могут быть выполнены две последовательные фаски так, что угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски составит диапазон от 18° до 22°, а угол между плоскостями первой и второй фасок составит диапазон от 50° до 60°, при этом наконечники хомутов при закреплении на опорах рамы платформы будут направлены фасками в сторону котла. Помимо этого, крепление хомутов к опорам рамы может быть выполнено под углом к продольной вертикальной плоскости котла в диапазоне значений от 10° до 12°.
[17]Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
[18]Фиг. 1 – Крепление котла к раме платформы;
[19]Фиг. 2 – Штампованный наконечник;
[20]Фиг. 3 – Распределение напряжений в сравнении с прототипом;
[21]Фиг. 4 – Графики распределения отношения длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в зоне перехода от цилиндрической части наконечника к плоской.
[22]На фиг. 1 представлено устройство крепления котла 3 железнодорожной цистерны к раме 2 платформы представляет собой охватывающий котел 3 хомут. Хомут выполнен из пояса 4 и двух штампованных наконечников 5. Наконечники 5 посредством упругих элементов 6 и гаек 7 соединены с опорами 1 рамы 2 платформы. Наконечники 5 (фиг. 2) выполнены в форме лопатки и имеют цилиндрической часть «a» с обработанным под резьбу участком «d», плоскую часть «с», соединяющуюся с поясом 4 посредством сварного шва, и переходный от «а» к «c» участок «b». При этом отношение длины «f» необработанной части наконечника 5 к площади поперечного сечения в каждой точке необработанной части составляет не менее 0,175 мм-1.
[23]На фиг. 3 представлено распределение напряжений действующих на устройство крепления котла предлагаемой конструкции в сравнении с конструкцией, рассмотренной в прототипе.
[24]На фиг. 4 представлены графики распределения показателя отношения длины необработанной части наконечника к площади поперечного сечения в зоне перехода от цилиндрической части наконечника к плоской, из которых видно: у предлагаемой по полезной модели конструкции – наблюдается равномерное распределение данного показателя по длине переходного участка, а у прототипа – явно видна зона возникновения концентрации местных напряжений вследствие наличия резких переходов геометрии конструкции, опускающаяся ниже значения, равного 0,175 мм-1.
[25]Примером реализации предложенной полезной модели может быть конструкция хомута вагона-цистерны, закрепленного на опорах рамы платформы посредством упругих элементов и гаек, и имеющего штампованные наконечники с плавным переходом от цилиндрической части к плоской, при этом длина необработанной части наконечника может быть равна 286 мм, а площадь поперечного сечения на любом участке необработанной части не более 1590 мм2. При этом плоская часть наконечника будет выполнена толщиной 10 мм, а толщина соединяемого с ней пояса хомута будет составлять 8 мм. Также угол между плоскостью торцевой поверхности и плоскостью первой фаски и угол между плоскостями первой и второй фаски составят 20° и 55° соответственно. При этом крепление хомутов к опорам рамы будет выполнено под углом 11° к продольной плоскости котла.
