МОЩНЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ АППАРАТ С УДЛИНЕННОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ХОДА
HIGH-EFFICIENCY FRICTION ABSORBING GADGET WITH ELONGATED STROKE

Область техники
Настоящее изобретение, в общем, касается фрикционных поглощающих аппаратов, используемых в железнодорожных вагонах для обеспечения зазора и для поглощения ударных нагрузок, воздействующих на железнодорожные вагоны, и более конкретно, относится к корпусному и фрикционному сцепному механизму для использования в поглощающем аппарате, имеющем возможность большей величины хода, который способен ослаблять нежелательные скачки силы реакции, обеспечивая более плавный ход железнодорожного транспортного средства и, следовательно, повышая общую эффективность поглощающего аппарата.
Предшествующий уровень техники
Поглощающие аппараты с фрикционными сцепными механизмами для поглощения тепловой энергии, выделяемой при использовании железнодорожного транспортного средства, широко используются в железнодорожных вагонах в течение нескольких лет до настоящего изобретения, что хорошо известно в области железнодорожной техники. Эти поглощающие аппараты расположены внутри продолговатого отверстия, расположенного в хребтовой балке железнодорожного вагона по ее продольной оси и за хвостовиком, или самым внутренним концом, сцепного механизма железнодорожного вагона.
В данном положении этот фрикционный сцепной поглощающий аппарат поглощает, по меньшей мере, большую часть как ударных, так и тяговых сил, порождаемых при использовании вагона. Такие ударные и тяговые силы, воздействующие на железнодорожный вагон, обычно являются переменными и приложены к хребтовой балке во время нормальной эксплуатации вагона на рельсовом пути.
Описание работы таких фрикционных сцепных поглощающих аппаратов согласно предшествующему уровню техники можно найти, например, в патентах США №№2,916,163; 3,178,036; 3,447,693; 4,576,295; 4,645,187 и 4,735,328. Большинство, если не все, из этих поглощающих аппаратов согласно предшествующему уровню техники использовались или до сих пор используются в железнодорожной промышленности до разработки настоящего изобретения. Кроме того, за исключением патентов США №№4,576,295 и 4,735,328, патентообладатель каждого из оставшихся вышеупомянутых патентов является заявителем заявки на настоящее изобретение. Описание каждого из этих вышеупомянутых патентов включено в настоящее описание в виде ссылок.
Специалистам в области фрикционных сцепных поглощающих аппаратов хорошо известно, что эти поглощающие аппараты должны иметь, по меньшей мере, минимальную характеристику поглощения ударных нагрузок как во время формирования состава поезда, так и при его эксплуатации на пути. Такая минимальная характеристика была определена Американской Железнодорожной Ассоциацией (the Association of American Railroads, AAR). Например, фрикционные сцепные поглощающие аппараты имеют установленный абсолютный минимум номинальной характеристики, по меньшей мере, 36000 футо-фунтов. Любой поглощающий аппарат, для которого установлено, что его номинальная характеристика ниже 36000 фунтов, не получит утверждения AAR для его эксплуатации ни на одном железнодорожном вагоне, который может быть использован в железнодорожных составах.
Также важно отметить, что действие фрикционного сцепного механизма по поглощению тепловой энергии должно давать возможность без труда достичь этой минимальной номинальной характеристики без превышения заданной максимальной силы реакции или давления в 500000 фунтов, действующего на хребтовую балку железнодорожного вагона как во время формирования, так и во время эксплуатации данного железнодорожного состава. Было установлено, что требуется, чтобы данная максимальная сила реакции обеспечивала поглощение этих энергетических ударов большой мощности без опрокидывания хвостовика сцепного элемента и/или повреждения других важных компонентов вагона и/или груза, который транспортируют на железнодорожном вагоне.
Для соответствия требованиям железнодорожной промышленности при постоянно растущей грузоподъемности современных железнодорожных вагонов стало чрезвычайно важным как можно более увеличить общую номинальную характеристику поглощения ударных нагрузок с фрикционных сцепных поглощающих аппаратов. Эту повышенную номинальную характеристику признали необходимой для сведения к минимуму любых повреждений таких вагонов и/или груза из-за возросших сил, действующих на хребтовую балку вагонов со стороны более тяжелых грузов, которые теперь перевозят такие вагоны.
Патент США №5,590,797, принадлежащий заявителю настоящего изобретения и включенный в данное описание посредством ссылки, относится к фрикционному сцепному механизму для мощного поглощающего аппарата, имеющего повышенную номинальную характеристику, как обсуждалось выше. Фрикционный сцепной механизм согласно этому патенту улучшен относительно предшествующих сцепных фрикционных механизмов путем модификации клиновых башмаков. А именно, в патенте US '797 клиновые башмаки имеют твердость по Бринеллю от 429 до 495 и верхнюю поверхность, которая скошена от точки, смещенной внутрь относительно скошенной наружной поверхности, внутрь и под острым углом к продольной оси фрикционного сцепного механизма, причем угол составляет от 46,5° до 48,5°. В патенте US '797 также показано, что является предпочтительным включать латунные вставки в различные плоские компоненты фрикционного сцепного механизма, чтобы обеспечить количество смазки, необходимое для предотвращения пагубного заедания фрикционного сцепного механизма после сцепки поглощающего аппарата и во время цикла его размыкания.
Хотя согласно вышеупомянутому патенту разработан улучшенный фрикционный сцепной поглощающий аппарат относительно аппаратов используемых до этого, было установлено, что данная конкретная конструкция не удовлетворяет требованиям, заданным техническими условиями AAR Specification М-901-G. Во время испытаний аппаратов Super Mark 50 с заржавевшими фрикционными блоками в сборе с латунными вставками Н-911 было установлено, что испытываемые устройства давали скачки силы реакции выше 500000 фунтов. Результатом этого явились ударные характеристики менее 36000 футо-фунтов. При испытаниях на испытательном рельсовом пути тот же Super Mark 50 достиг уровней силы реакции в 500000 фунтов задолго до достижения технического требования 5-МРН для поглощающего аппарата категории G. Таким образом, в данной области техники существует потребность в поглощающем аппарате, который удовлетворяет стандартам, определенным в технических требованиях AAR Specification M-901-G.
Кроме того, теперь известно, что некоторые железнодорожные транспортные системы требуют использования поглощающих механизмов с удлиненной величиной хода около 4,75 дюйма.
Однако используемый в настоящее время поглощающий аппарат должен умещаться в гнездо размером 24,625 дюйма и иметь величину хода только 3,25 дюйма.
Цели изобретения
Следовательно, одной из главных целей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного фрикционного сцепного механизма, который можно использовать для значительного повышения номинальной характеристики фрикционного поглощающего аппарата, подлежащего использованию в железнодорожном вагоне для поглощения ударных и тяговых нагрузок во время эксплуатации, и который имеет более длинную величину хода, умещаясь при этом в гнездо размером 24,625 дюйма.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение фрикционного сцепного механизма для использования в поглощающем аппарате, который способен уменьшить нежелательные скачки силы реакции.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение фрикционного поглощающего аппарата, который обеспечивает более плавный ход железнодорожного транспортного средства.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение фрикционного поглощающего аппарата, который повышает общую эффективность поглощающего аппарата.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение фрикционного поглощающего аппарата, который имел бы полностью стальную конструкцию, без применения гидравлики, что приведет к снижению производственных затрат, материалоемкости и времени сборки.
В дополнение к вышеперечисленным целям и преимуществам различные другие цели и преимущества фрикционного сцепного механизма поглощающего аппарата, раскрытого здесь, станут более ясными для специалистов в данной области техники после прочтения раздела описания, посвященного подробному описанию изобретения. Другие цели и преимущества станут особенно ясны при рассмотрении подробного описания совместно с чертежами и представленной формулой изобретения.
Сущность изобретения
В соответствии с указанными целями изобретение содержит улучшенный поглощающий аппарат, имеющий корпусной элемент, способный умещаться в гнездо размером 24,625 дюйма, позволяя при этом величину хода в 4,75 дюйма. В открытом конце корпуса имеется фрикционный сцепной механизм для поглощения тепловой энергии в фрикционном сцепном поглощающем аппарате, который используют в железнодорожном вагоне. Фрикционный сцепной механизм включает пару наружных стационарных плоских элементов. Каждый из пары наружных стационарных плоских элементов имеет наружную и внутреннюю поверхность. Наружная поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с соответствующим противоположным в радиальном направлении участком внутренней поверхности корпусного элемента поглощающего аппарата, примыкающим к открытому концу данного корпусного элемента. Фрикционный сцепной механизм, кроме того, дополнительно включает пару подвижных плоских элементов. По меньшей мере, заданный участок наружной поверхности каждого из подвижных плоских элементов выполнен с возможностью фрикционного взаимодействия с соответствующей внутренней поверхностью пары наружных стационарных плоских элементов для поглощения, по меньшей мере, первой части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата. Во фрикционном сцепном механизме обеспечена пара внутренних стационарных плоских элементов. Каждый из внутренних стационарных плоских элементов имеет наружную поверхность, выполненную с возможностью фрикционного взаимодействия, по меньшей мере, с участком соответствующей внутренней поверхности пары подвижных плоских элементов для поглощения, по меньшей мере, второй части данной тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата. Внутренняя поверхность каждого из внутренних стационарных плоских элементов скошена под первым заданным углом. Обеспечена пара клиновых башмаков. Каждый клиновой башмак включает скошенную наружную поверхность, выполненную с возможностью фрикционного взаимодействия с соответствующей внутренней поверхностью скошенных наружных плоских элементов для поглощения третьей части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата. Клиновые башмаки, кроме того, включают верхнюю поверхность, которая скошена от точки, смещенной внутрь относительно скошенной наружной поверхности, внутрь и под острым углом к продольной оси фрикционного сцепного механизма. Скошенная верхняя поверхность скошена под углом приблизительно 49,0°-50,0°. Клиновые башмаки также включают нижнюю поверхность, которая скошена от точки, смещенной внутрь относительно скошенной наружной поверхности, внутрь и под острым углом относительно перпендикуляра к продольной оси фрикционного сцепного механизма. Обеспечен центральный клиновой элемент, который включает пару соответствующим образом скошенных поверхностей фрикционно взаимодействующих с верхней скошенной поверхностью соответствующего одного из пары клиновых башмаков для поглощения, по меньшей мере, четвертой части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата. Пара скошенных поверхностей центрального клина скошена под углом примерно от 49,0°до 50,0°.
Мощный фрикционный сцепной поглощающий аппарат для поглощения как ударных, так и тяговых нагрузок, прикладываемых к хребтовой балке железнодорожного вагона во время сцепки состава поезда и при эксплуатации состава поезда на пути, включает сжимаемый амортизирующий элемент, примыкающий к закрытому концу корпусного элемента, фрикционный сцепной механизм, описанный выше, расположенный, по меньшей мере, частично внутри открытого конца корпусного элемента поглощающего аппарата, и гнездо для пружины, расположенное между сжимаемым амортизирующим элементом и данным фрикционным сцепным механизмом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это схематический вид мощного фрикционного сцепного поглощающего аппарата, который иллюстрирует корпус согласно предшествующему уровню техники, в котором фрикционное сцепное средство сконструировано по предпочтительному в настоящее время варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 - вид в изометрии мощного фрикционного сцепного поглощающего аппарата, показанного на Фиг.1, но иллюстрирующий корпус, имеющий требуемую характеристику увеличенного хода, для использования с фрикционным сцепным средством, показанным на Фиг.1, который сконструирован по предпочтительному в настоящее время варианту осуществления изобретения.
Фиг.3-6 - это графики, иллюстрирующие зависимость силы реакции (сплошная линия) в тысячах фунтов и смещения (пунктирная линия) в дюймах от времени в секундах и скорости в милях в час.
Фиг.7-10 - это графики, иллюстрирующие зависимость силы реакции (сплошная линия) в тысячах фунтов от смещения в дюймах и скорости в милях в час.
Подробное описание изобретения
Теперь обратимся к чертежам, которые иллюстрируют улучшенный фрикционный сцепной механизм, в общем, обозначенный 20, лучше всего проиллюстрированный на Фиг.1, для поглощения тепловой энергии во фрикционном сцепном поглощающем аппарате, в общем, обозначенном 10, который используют в железнодорожном вагоне (не показан). Эта тепловая энергия, как хорошо известно в данной области техники, выделяется во время формирования состава поезда и во время перемещений такого состава поезда по путевой конструкции.
Фрикционный сцепной механизм 20 содержит пару наружных стационарных плоских элементов 12. Каждый из пары наружных стационарных плоских элементов имеет внутреннюю поверхность 13 и наружную поверхность 14. Наружная поверхность 14 выполнена с возможностью взаимодействия с соответствующим противолежащим в радиальном направлении участком внутренней поверхности 16 корпусного элемента 18 поглощающего аппарата, примыкающим к открытому концу 22 данного корпусного элемента 18.
Фрикционный сцепной механизм 20, кроме того, включает пару подвижных плоских элементов 38. Каждый из подвижных плоских элементов 38 имеет, по меньшей мере, заданный участок наружной поверхности 40, который выполнен с возможностью фрикционного взаимодействия с соответствующей внутренней поверхностью 13 пары наружных стационарных плоских элементов 12 для поглощения, по меньшей мере, первой части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки поглощающего аппарата 10. Каждый подвижный плоский элемент 38 имеет по существу прямоугольную форму, и наружная поверхность 40 расположена, по существу, параллельно внутренней поверхности 13 наружных стационарных плоских элементов 12.
Кроме того, во фрикционном сцепном механизме 20 имеется пара внутренних стационарных плоских элементов 44. Каждый из внутренних стационарных плоских элементов 44 имеет наружную поверхность 46, выполненную с возможностью фрикционного взаимодействия, по меньшей мере, с участком соответствующей внутренней поверхности 39 данной пары подвижных плоских элементов 38 для поглощения, по меньшей мере, второй части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10. Внутренняя поверхность 48 каждого из внутренних стационарных плоских элементов 44 скошена под первым заданным углом.
Первый заданный угол внутренней поверхности 48 пары внутренних стационарных плоских элементов 44 приблизительно равен 4,5°.
Фрикционный сцепной механизм 20, кроме того, включает пару клиновых башмаков 54. Каждый из клиновых башмаков 54 имеет скошенную наружную поверхность 56, фрикционно взаимодействующую с соответствующей внутренней поверхностью 48 скошенных стационарных плоских элементов 44 для поглощения третьей части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки данного фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10. Клиновые башмаки 54, кроме того, включают верхнюю поверхность 58, которая скошена от точки, смещенной внутрь относительно скошенной наружной поверхности 56, внутрь и под острым углом к продольной оси фрикционного сцепного механизма 20. Скошенная поверхность скошена под углом приблизительно 49,0°-50,0°, предпочтительно под углом 49,5°.
Клиновые башмаки 54 также содержат нижнюю поверхность 60, которая скошена от точки, смещенной внутрь относительно скошенной наружной поверхности 56, внутрь под острым углом относительно перпендикуляра к продольной оси фрикционного сцепного механизма.
Также во фрикционный сцепной механизм включен центральный клиновой элемент 66. Центральный клиновой элемент содержит пару скошенных поверхностей 68, фрикционно взаимодействующих с верхней скошенной поверхностью 58 соответствующего одного из пары клиновых башмаков 54 для поглощения, по меньшей мере, четвертой части тепловой энергии, выделяемой во время сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10. Пара скошенных поверхностей 68 центрального клина 54 скошена под углом приблизительно 49,0°-50,0°, предпочтительно под углом 49,5°.
Внутренняя поверхность 13 каждого из наружных стационарных плоских элементов 12 фрикционного сцепного механизма 20 имеет первый продолговатый паз 24. Этот продолговатый паз 24 имеет, по существу, дугообразную форму в плоскости, расположенной, по существу, под прямым углом к продольной оси первого продолговатого паза 24. Первая смазочная вставка 28 расположена в первом продолговатом пазу 24, чтобы предотвратить пагубное заедание фрикционного сцепного механизма 20 после сцепки данного фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10 и во время цикла его размыкания. Первые смазочные вставки выполнены из смеси выбранного смазочного металла и, по меньшей мере, 2% графита.
Наружная поверхность 46 каждого из скошенных плоских элементов 44 содержит второй продолговатый паз 52, имеющий, по существу, дугообразную форму в плоскости, расположенной, по существу, под прямым углом к продольной оси данного второго продолговатого паза 52. Вторая смазочная вставка 53 расположена внутри второго продолговатого паза 52 каждого из скошенных плоских элементов 44, чтобы препятствовать пагубному заеданию фрикционного сцепного механизма 20 после сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10 и во время цикла его размыкания. Эти вторые смазочные вставки 53 также выполнены из смеси выбранного смазочного металла и, по меньшей мере, 2% графита.
Наружная скошенная поверхность 56 каждого из клиновых башмаков 54 содержит третий продолговатый паз 62. Третий продолговатый паз 62 имеет, по существу, дугообразную форму в плоскости, расположенной, по существу, под прямым углом к продольной оси третьего продолговатого паза 62. Третья смазочная вставка 64 расположена внутри каждого из третьих продолговатых пазов 62, чтобы препятствовать пагубному заеданию фрикционного механизма 20 сцепления после сцепки фрикционного сцепного поглощающего аппарата 10 и во время цикла его размыкания. Третьи смазочные вставки также выполнены из смеси выбранного смазочного металла и, по меньшей мере, 2% графита.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения разработан улучшенный мощный фрикционный сцепной поглощающий аппарат 10 с повышенной номинальной характеристикой для поглощения как ударных, так и тяговых нагрузок, которые приложены к хребтовой балке, в общем, обозначенной 100, железнодорожного вагона (не показан) во время формирования состава поезда и эксплуатации состава поезда на путях.
Передний упор 104 и противолежащий в осевом направлении задний упор 106 прикреплены к каждой боковине 103 хребтовой балки 100 и образуют гнездо 108 поглощающего аппарата первой заданной длины, составляющей 24,625 дюйма. Сцепной рычаг 112 сцепки 109 отведен от обычного когтя 110 сцепки в гнездо 102. Сцепка 109 расположена, по существу, вдоль продольной оси 116 хребтовой балки 100. Коготь 110 сцепки 109 взаимодействует с аналогичным элементом, выступающим из второго железнодорожного вагона или локомотива, соединяя железнодорожные вагоны для перемещения по железнодорожным путям. Передний толкатель 114 сцепки расположен между сцепным рычагом 112 и фрикционным поглощающим аппаратом 10 для равномерной передачи удара от когтя 110 сцепки.
В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления изобретения фрикционный сцепной поглощающий аппарат 10 содержит фасонный корпусной элемент 18. Корпусной элемент 18 имеет торцевую стенку 70 для закрытия его первого конца. Корпусной элемент 18 открыт со своего радиально противоположного второго конца 22. Как видно на Фиг.2, корпусной элемент 18 содержит уступы 21, которые позволяют удлинить корпус 18 с сохранением возможности его размещения в гнезде размером 24,625 дюйма.
Сжимаемое амортизирующее средство 19 расположено в полости корпусного элемента 18 с его упором, по меньшей мере, в часть внутренней поверхности торцевой стенки 70, расположенной в первом конце корпусного элемента 18. Сжимаемое амортизирующее средство 19 размещено в продольном направлении от первого конца корпусного элемента. Как показано в патентах США, включенных в настоящее описание посредством ссылок, такое сжимаемое амортизирующее средство 19 хорошо известно в данной области техники и обычно содержит множество пружин в их разнообразных взаимных расположениях или винтовую пружину в сочетании с одним или более упругими элементами, такими как сжимаемое резиновое тело, или винтовую пружину в сочетании с гидравлическим устройством.
Сжимаемое амортизирующее средство 19 сохраняет, по меньшей мере, часть энергии, выделяемой во время прикладывания сжимающей силы к фрикционному сцепному поглощающему аппарату 10, а затем освобождает сохраненную энергию, чтобы вернуть фрикционный сцепной поглощающий аппарат 10 к открытому состоянию, когда данная сжимающая сила уменьшена или полностью устранена.
Фрикционный сцепной механизм 20 расположен, по меньшей мере, частично внутри открытого конца 22 корпусного элемента 18. Фрикционный сцепной механизм 20 согласно изобретению подробно обсуждается выше.
Фрикционный сцепной поглощающий аппарат 10, кроме того, содержит пружинное гнездо 74 для пружины, по меньшей мере, участок первой поверхности 76 которого упирается в противоположный конец сжимаемого амортизирующего средства 19, а вторая поверхность 78 предназначена для взаимодействия с фрикционным сцепным механизмом 20. Гнездо 74 для пружины установлено с возможностью продольного перемещения внутри корпуса 18 для соответствующего сжатия и освобождения сжимаемого амортизирующего средства 19 во время приложения и снятия силы, действующей на поглощающий аппарат 10.
Поглощающий аппарат Mark 550 согласно настоящему изобретению сконструирован так, чтобы удовлетворять техническим требованиям AAR M-901-G. Этот поглощающий аппарат представляет собой полностью стальную конструкцию, подобную конструкции поглощающего аппарата Mark 50. В проведенных ранее испытаниях поглощающих аппаратов Super Mark 50 с заржавевшими фрикционными блоками в сборе с латунными вставками Н-911 испытываемые устройства показали скачки силы реакции выше 500000, результатом чего явились ударные характеристики менее 36000 футо-фунтов. При испытаниях на испытательном железнодорожном пути тот же Super Mark 50 достиг уровней сил реакции в 500000 задолго до выполнения требования 5-МРН для поглощающего аппарата категории G. Когда латунные вставки были заменены вставками, содержащими 2% графита, общие показатели работы были снижены до уровней, меньших, чем показатели стандартного Mark 50. Установка графитовых вставок также позволила устранить большие скачки сил реакции, наблюдавшиеся во время предшествующих испытаний. В результате снижение характеристики поглощения ударных нагрузок наряду с повышением плавности кривой сцепки поглощающего аппарата привели к убеждению, что дополнительный угол центрального клина, описанный выше, может быть необходим, чтобы удовлетворить испытательным требованиям для технических условий М-901-G. Во время испытаний на столкновение также было замечено, что большие скачки сил реакции устранены, а кривая сцепки поглощающего аппарата была очень похожа на кривую H-60 без начальных эффектов гидравлического узла. Было установлено, что увеличение угла центрального клинового башмака на 2 градуса повысит силу зажима фрикционного блока. Также было установлено, что применение вставок, содержащих 2% графита, уменьшает любые нежелательные скачки силы реакции. Сочетание этих двух модификаций повысило общие эксплуатационные качества поглощающего аппарата без вредного влияния на его работу. Следовательно, при повышении общей эффективности поглощающий аппарат будет удовлетворять требованиям AAR M-901-G. Кроме того, использование полностью стальной конструкции и устранение гидравлических средств позволит снизить производственные расходы по материалоемкости и времени сборки.
Изобретение описано настолько полно, в понятных, кратких и точных терминах, чтобы дать возможность любому специалисту в области техники, к которой оно относится, изготовить и использовать его. Следует понимать, что изменения, модификации, эквиваленты и замены компонентов конкретных описанных вариантов осуществления изобретения могут быть выполнены специалистами в данной области техники без отступления от идеи и объема патентных притязаний изобретения, изложенных в приложенной формуле изобретения. Лица, являющиеся такими специалистами, также поймут, что предшествующее описание лишь иллюстративно и не имеет целью ограничить какой-либо из пунктов формулы изобретения конкретной узкой интерпретацией.