РЕЛЬСОВОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ОСЕЙ
RAIL VEHICLE WITH VARIABLE GEOMETRY OF AXES

Область техники
Изобретение относится к рельсовому транспортному средству с изменяемой геометрией осей.
Уровень техники
Усилия, требуемые для движения по рельсовой колее, возникают в области контакта колеса и рельса, при контакте колесо-рельс. Эти усилия в общем случае ответственны за негативные эффекты на рельсах и колесах. Так тангенциальные силы, которые всегда связаны с эффектами скольжения и, тем самым, мощностями трения, обуславливают износ профиля посредством уноса материала. Кроме того, усилия, воздействующие на колесо и шину, при достаточно высоком уровне усилий, приводят к усталости материала, контактной усталости при качении (RCF). За счет этого возникают, например, тонкие трещины в рельсе и/или колесе. Типовую форму повреждения на поверхности рельса представляют покрытия трещинами головки рельса. В колесе трещины могут возникать под поверхностью, расти вовне и приводить к значительному выкрашиванию. Но трещины могут также возникать и на поверхности, расти в глубину и также приводить к сколам материала, как, например, это возникает в известных явлениях «рисунка в елочку». При инициированных на поверхности трещинах имеет место эффект, состоящий в том, что трещины частично посредством упомянутого износа профиля вновь удаляются, откуда следует, что известная мера износа профиля может являться желательной. Наряду с упомянутыми повреждениями поверхностей качения, возникает еще ряд других форм повреждений, таких как, например, выбоины, наплавка материала, поперечные трещины на поверхности качения и т.д.
Поэтому контакту колеса с рельсом, например в случае высокоскоростных поездов, придается особое релевантное для безопасности значение. Нерегулярности на контакте колеса с рельсом, например из-за сильного повреждения колеса, могут привести к значительному ущербу, вплоть до схода с рельсов. Но также и легкие повреждения, такие как тонкие трещины, могут вызвать значительные осложнения, так как они делают необходимым работы по поддержанию в исправном состоянии и, тем самым, могут вызвать высокие затраты и запаздывания в движении поездов.
Поэтому известен ряд механических устройств для движения по рельсовой колее рельсового транспортного средства. Многие из известных систем исходят из того, что при движении по дуге (по кривой) радиальная установка колес на рельсе оптимальна, чтобы снизить силы, действующие на холостые колесные пары или на колесные пары ходового механизма или транспортного средства. Тем самым аргументируется, что мощность трения и, тем самым, также износ профиля в контакте колеса с рельсом должен уменьшаться.
Например, ЕР 0600172 А1 описывает ходовой механизм для рельсовых транспортных средств, при котором колесные пары при движении по кривой с помощью регулируемых по усилию исполнительных элементов выворачиваются относительно рамы поворотной тележки. Но при этом не реализуется никакой радиальной установки колесной пары относительно рельса, а только устанавливается угол между колесной парой и рамой ходового механизма соответственно радиальной установке. При этом, хотя устанавливается во многих рабочих состояниях благоприятный режим износа, это не соответствует оптимуму.
DE 4413805 А1 раскрывает трехосную ходовую часть с самодействующим управлением для рельсового транспортного средства, при котором обе внешние колесные пары снабжены радиальным управлением, а внутренняя колесная пара посредством активного исполнительного элемента является подвижной поперек направления движения. За счет этого снижаются боковые силы, действующие на внешние колесные пары, при подходящем нагружении активного исполнительного элемента на каждую колесную пару действует одна треть центробежной силы. Тем самым все три колесные пары привлекаются к управлению при движении по кривой, ориентация колесных пар по отношению к центру кривой улучшается.
Другой способ этого типа также описан в ЕР 1609691 А1 заявителя настоящей заявки.
Для всех этих способов является общим, что они нацелены на то, чтобы уменьшить мощность трения в контакте колеса-рельса и, тем самым, износ профиля. При этих способах на установку колес относительно рельса оказывается такое влияние, что эффекты скольжения в точке контакта исключаются или минимизируются. В общем случае усталость контакта скольжения может привести к повреждению на рельсе и колесе. Во избежание этого повреждения, некоторая степень мощности трения может быть вполне желательной, так как при этом возникающие трещины на поверхности могут удаляться. Поэтому минимум мощности трения не всегда соответствует оптимальному режиму нагружения контакта колесо-рельс.
Из неопубликованной заявки А942/2007 «Способ для минимизации повреждений поверхности качения и износа профиля колес рельсового транспортного средства» настоящего заявителя, поданной в Австрийское патентное ведомство, известен основанный на модели способ для оптимизации режима износа колес рельсового транспортного средства. В этом способе посредством управляемого исполнительным органом смещения (поперечного смещения оси холостой колесной пары или колесной пары или углового смещения между осями) на основе определенных измеряемых параметров оптимизируется износ поверхностей качения.
При этом предусмотрены различные геометрии ходового механизма, которые обеспечивают возможность углового и поперечного смещения осей. Требуемые для этого так называемые поперечные исполнительные органы чрезвычайно затрудняют конструирование ходового механизма.
Представление изобретения
Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить рельсовое транспортное средство с изменяемой геометрией осей, которое может устанавливать любые, определяемые посредством основанного на модели способа, положения (угловое положение и поперечное смещение) осей друг к другу во время движения рельсового транспортного средства, и необходимые для этого затраты на исполнительные органы минимизируются.
Эта задача решается посредством рельсового транспортного средства с признаками пункта 1. Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов.
Согласно основной идее изобретения, каждая ось рельсового транспортного средства установлена горизонтально с возможностью углового сдвига по отношению к раме транспортного средства и может посредством ассоциированного исполнительного органа во время эксплуатации рельсового транспортного средства непрерывно и независимо от других осей изменяться по своему горизонтальному угловому положению, причем угловое положение каждой оси задается способом оптимизации.
Соответствующее изобретению рельсовое транспортное средство пригодно особенно предпочтительным образом для реализации описанного в неопубликованной заявке А942/2007 способа для оптимизации режима износа, так как конструктивная сложность посредством настоящего изобретения очень упрощается. Особенно существенным является отсутствие конструктивно очень сложного так называемого «поперечного исполнительного органа». Также настоящее изобретение обеспечивает возможность использования конструктивно более простых исполнительных органов (например, гидравлических, или пневматических, или электрических исполнительных органов). Описанный в заявке А942/2007 способ выдает в качестве выходных параметров угловое положение dα между двумя осями и так называемое поперечное смещение. Эти оба параметра могут в рельсовом транспортном средстве устанавливаться согласно настоящему изобретению исключительно посредством установки определенного горизонтального межосевого угла по отношению к раме транспортного средства, за счет чего достигается спокойный ход рельсового транспортного средства и оптимизированный режим износа колес.
С помощью настоящего изобретения достигается преимущество, состоящее в том, что могут устанавливаться оптимальные значения углового положения dα и поперечного смещения, причем исключительно горизонтальный угол каждой оси относительно рамы транспортного средства должен предусматриваться как переменный. В частности, заявленное изобретение обеспечивает возможность исключения конструктивно очень сложных поперечных исполнительных органов. Соответствующее изобретению так называемое асимметричное управление позволяет посредством асимметричного разделения угла dα между двумя осями на два угла α1 и α2 предпринимать целенаправленную установку поперечного смещения без необходимости использования исполнительного органа для поперечного смещения.
Предпочтительная форма выполнения изобретения предусматривает наличие неподвижной точки (вертикального центра вращения) каждой оси на одном конце оси и ассоциирование исполнительного органа, который оказывает воздействие на другом конце оси. Этот исполнительный орган в соответствии с изобретением на одной стороне в неподвижной точке рамы транспортного средства закреплен в опоре, а на второй стороне закреплен в горизонтально смещаемой по углу опоре ассоциированной оси рельсового транспортного средства. Тем самым удается, посредством модуляции длины исполнительного органа, реализовывать любые горизонтальные угловые положения каждой оси.
Другая предпочтительная форма выполнения изобретения предусматривает, что на следующих друг за другом осях ассоциированные с ними исполнительные органы воздействуют попеременно на противолежащие концы осей, так что, например, за осью, исполнительный орган которой расположен на одной стороне рельсового транспортного средства, следует ось, исполнительный орган которой расположен на противолежащей стороне рельсового транспортного средства. За счет этого достигается преимущество, состоящее в том, что имеющееся в ходовом механизме рельсового транспортного средства место может использоваться оптимальным образом.
Также возможны другие формы выполнения, при которых, например, исполнительные органы всех осей предусмотрены на одной стороне рельсового транспортного средства.
Особая форма выполнения изобретения предусматривает, что оси рельсового транспортного средства выполнены как так называемая «холостая колесная пара», при которой колеса опираются на вал (ось) и могут вращаться независимо относительно друг друга.
Другая форма выполнения изобретения предусматривает использование так называемых «колесных пар», при которых колеса жестко связаны с осью.
Изобретение может быть использовано в поворотной тележке рельсового транспортного средства.
Краткое описание чертежей
На чертежах для примера показано следующее:
Фиг.1 - рельсовое транспортное средство с изменяемой геометрией осей.
Фиг.2 - выходные параметры основанного на модели способа для минимизации повреждений поверхностей качения и износа профиля.
Фиг.3 - определение горизонтального угла исполнительных органов.
Фиг.4 - определение отклонения исполнительных органов.
Выполнение изобретения
Фиг.1 показывает для примера и схематично принципиальную структуру рельсового транспортного средства с изменяемой геометрией осей. Рельсовое транспортное средство S содержит две оси А1, А1, которые установлены с возможностью горизонтального поворота вокруг соответствующего центра вращения на конце каждой оси А1, А2. На противоположной центру вращения стороне каждой оси А1, А2, на конце каждой оси А1, А2 воздействует соответствующий исполнительный орган АКТ1, АКТ2, который на своем другом конце соединен с рамой рельсового транспортного средства S. Посредством модуляции длины исполнительных органов АКТ1, АКТ2 может, таким образом, для каждой оси А1, А2 устанавливаться собственный определенный горизонтальный угол α1, α2. Если для следующих друг за другом осей установлены различные горизонтальные углы α1, α2, то получается поперечный сдвиг dy и межосевой угол dα величиной α1+α2 между этими осями. Можно видеть, что, наряду с межосевым углом dα, поперечное смещение dy имеет решающее влияние на режим износа или повреждения транспортного средства.
Это поперечное смещение dy геометрически определяется тем, что нормали N1, N2 к средним точкам осей колес не встречаются в плоскости S симметрии поворотной тележки, а имеют в этой плоскости S симметрии некоторое взаимное расстояние.
В соответствии с изобретением поперечное смещение dy вместе с радиальной установкой осей достигается посредством целенаправленной установки межосевых углов α1, α2. Тем самым обеспечивается простая и надежная возможность установки поперечного смещения dy при незначительных затратах на исполнительные органы.
Фиг. 2 показывает в качестве примера и схематично выходные параметры основанного на модели способа для минимизации повреждений поверхностей качения и износа профиля.
Представлено транспортное средство с двумя осями А1 и А2, которые по отношению друг к другу могут принимать любые горизонтальные угловые положения (межосевой угол dα) и которые по отношению друг к другу имеют поперечное смещение dy. Расстоянию L между осями соответствует расстояние между средними точками осей А1 и А2. Эффективное расстояние между осями может, так как обычно возникают лишь очень малые межосевые углы dα, устанавливаться приближенно равным расстоянию L между осями. Оба параметра - межосевой угол dα и поперечное смещение dy - определяются посредством основанного на модели способа таким образом, что, в числе прочего, достигается оптимальный режим износа ходовых (рабочих) колес и профилей рельса.
Фиг.3 показывает в качестве примера и схематично определение горизонтальных углов каждой оси, причем из заданных параметров межосевого угла dα и поперечного смещения dy определяется комбинация из горизонтального угла первой оси α1 и горизонтально угла второй оси α2.
Из соотношения
α1+α2=dα
и
<mrow><mi>d</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
для малых углов приблизительно
<mrow><mi>d</mi><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
определяются горизонтальный угол первой оси α1:
<mrow><mo>⇒</mo><mi>α</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
и горизонтальный угол второй оси α2:
<mrow><mo>⇒</mo><mi>α</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>y</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
Фиг.4 показывает в качестве примера и схематично определение отклонения исполнительных органов в рельсовом транспортном средстве согласно фиг.1. Представленное на фиг.1 рельсовое транспортное средство оснащено на каждой из осей А1, А2 соответствующим исполнительным органом АКТ1, АКТ2, который воздействует на конец каждой оси А1, А2. Из определенных согласно фиг.3 отдельных углов α1, α2 может определяться при заданных длинах осей А требуемое отклонение каждого исполнительного органа согласно:
s1 = A·tanα1
и
s2 = A·tanα2.
Перечень ссылочных позиций
S рельсовое транспортное средство
A1 первая ось
A2 вторая ось
AKT исполнительный орган
AKT1 исполнительный орган первой оси
AKT2 исполнительный орган второй оси
α горизонтальный угол
α1 горизонтальный угол первой оси
α2 горизонтальный угол второй оси
dα межосевой угол
dy поперечное смещение
L расстояние между осями
A длина оси
S1 отклонение исполнительного органа первой оси
S2 отклонение исполнительного органа второй оси