Ходовая часть подвижного состава с рулевой колёсной парой
RUNNING GEAR OF ROLLING STOCK WITH STEERING WHEEL PAIR

Изобретение относится к области рельсовых транспортных средств, в частности к устройствам управления поворотом ходовых тележек при движении по криволинейным участкам пути. Оно направлено главным образом на модернизацию ходовой части железнодорожных вагонов, а в принципе может быть применимо и в локомотивах.
За последние два десятилетия на железнодорожном транспорте России особо остро стоит вопрос снижения износа гребней колес и бокового износа рельсов в кривых участках пути. Мероприятия, проводимые для снижения износа, в основном, связаны с уменьшением коэффициента трения и увеличением твердости контактируемых материалов. Однако, проводимые мероприятия не влияют на причину возникновения интенсивного износа гребней колес, а лишь воздействуют на физические компоненты, участвующие в механизме трущихся поверхностей.
Ходовые части состава являются наиболее ответственными узлами, служат опорой экипажа на путь и обеспечивают их взаимодействие в движении. От конструкции ходовых частей в значительной мере зависит безопасность движения экипажа и плавность его хода.
Анализом причин, самих процессов износа трущихся поверхностей и способов его снижения занимаются многие специалисты: только литературных источников на эту тему (по материалам Научно-практической конференции «Колесо-рельс 2003», состоявшейся на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа) насчитывается более сотни.
Много предложено различных новых технических решений.
Не останавливаясь на их подробностях, рассмотрим только наиболее близкие аналоги заявляемого изобретения.
Известны СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ИЛИ КОЛЕСНЫХ СКАТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (патент RU №2283254 С2 B61F 5/38).
Изобретение относится к устройствам для радиальной установки колес при движении по криволинейным участкам пути. Активное управление радиальной установкой колес колесного узла тележки осуществляют посредством интегрального регулирования с реализацией установочных движений в двух частотных диапазонах, сообщая колесному узлу через исполнительный механизм, управляемый регулятором, первые установочные движения в первом частотном диапазоне и вторые установочные движения во втором частотном диапазоне, отличном от первого частотного диапазона, с их наложением на первые установочные движения. Исполнительный механизм выполнен в виде сервопривода. Между исполнительным механизмом и колесом или буксой колесного узла расположен передаточный механизм. Технический результат - снижение износа колес и рельсов, устранение паразитных колебаний при стабилизации колес.
Изобретение позволяет ускорить реакцию исполнительных механизмов на быстро изменяющуюся ситуацию с нагрузками и режимом движения, однако это достигается большим усложнением устройства управления, что вместе с его удорожанием снижает надежность работы (чем сложнее система, тем больше вероятность ее отказов). Одних только исполнительных механизмов в этой системе насчитывается много.
Известна ТЕЛЕЖКА С МЕХАНИЗМОМ РАДИАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ (патент RU №2349478 С2 B61F 5/38).
Заявляемое изобретение относится к конструкции двухосной тележки пассажирского вагона с двухступенчатым рессорным подвешиванием и механизмом радиальной установки колесных пар.
Она отличается тем, что обе пары ее боковых рычагов расположены в плоскости четырехзвенника рамы и образуют с последним механизм радиальной установки колесных пар, в котором рычаги наклонены к боковине встречно с заданным углом к ее вертикальной плоскости и оканчиваются проушинами, отверстия которых перпендикулярны друг другу, кронштейны выполнены в виде горизонтальных буксовых щек и вертикальных щек нижних коленьев, а вертикальные и горизонтальные оси впрессованных в упомянутые проушины амортизаторов выполнены с клиновыми цапфами, закрепленными в клиновых вырезах упомянутых щек посредством крепежных элементов, и упруго сцентрированы относительно торцев каждой проушины парой блочных амортизирующих шайб резинометаллического типа, опирающихся каждая своей внешней расточкой на пластинчатые полукольца, вставленные в проточку оси амортизатора и скрепленные с шайбой сваркой в кольцо.
Следует отметить главный недостаток указанной конструкции: радиальная установка колесных пар осуществляется в отдельно взятой тележнке только под воздействием центробежных сил без раздельного учета других важных факторов, в частности, радиуса поворота, что снижает точность регулирования, а сниженная жесткость конструкции предлагаемой тележки с взаимно подвижными осями колесных пар скажется отрицательно на ее надежности.
При этом главной нерешенной задачей остается установка направления хода самих тележек в зависимости от радиуса поворота пути.
Известна ТЕЛЕЖКА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА С МЕХАНИЗМОМ РАДИАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ (патент RU №2216470 С2 B61F 3/00).
Изобретение относится к конструкции двухосной тележки пассажирского вагона с двухступенчатым рессорным подвешиванием. Тележка включает боковины рамы, которые соединены с буксами посредством рычагов радиальной установки колесной пары. Упомянутые рычаги выполнены наклонными и соединены с корпусом буксы и с боковиной рамы таким образом, что образуют шарнирный параллелограмм. При этом стороны параллелограмма, закрепленные на корпусе буксы и на боковине рамы, параллельны оси Z, причем сторона, закрепленная на боковине рамы, расположена выше горизонтальной оси X буксы.
Технический результат - улучшение вписывания вагона в кривые, обеспечение радиальной установки колесной пары. При этом на скорость движения поезда не влияет наличие криволинейных участков пути, а конструкция тележки упрощается.
Однако и для такой конструкции присущи недостатки, указанные в предыдущем аналоге.
Предлагаемая в следующем изобретении (СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ИЗНОСА СИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС И КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, патент RU №2449910 С2, B61F 3/00, B61F 5/50, B61F 5/38) конструкция с дифференциальными колесными парами и дополнительной поперечной связью уменьшает величину углов набегания и интенсивность взаимодействия гребней колес и внутренней грани головки рельса, однако оптимизирующую эти процессы непосредственную связь между кривизной рельсовой колеи и поворотом тележки не обеспечивает.
Задачей в заявляемом нами изобретении являлся поиск простого технического решения, реализующего такую связь.
В соответствии с этим принята конструкция ходовой части подвижного состава с опирающимися на две ходовые тележки рамами, в которой - согласно изобретению - под средней частью рамы устанавливается дополнительная - "рулевая" колесная пара с возможностью поперечного перемещения относительно рамы, имеющая кинематическую связь с поворотной конструкцией ходовых тележек, причем передаточное отношение от рулевой колесной пары к тележкам зависит от направления движения состава.
Рулевая колесная пара с возможностью поперечного перемещения относительно рамы, например, в направляющих роликах, обеспечивает передачу через кинематическую связь с поворотной конструкцией ходовых тележек управляющих воздействий на них в зависимости от стрелы рельсового изгиба и направления движения состава, поскольку углы поворота передней и задней тележек при их оптимальном положении на кривых участках пути не одинаковы.
При минимальных люфтах в узлах кинематической системы и величины зазоров между гребнями колес рулевой пары и рельсами обеспечивается стабильность ориентации тележек и на прямых участках пути, а неточности управления на переходных кривых имеют кратковременный (доли секунды) характер и на износ колес практически не влияют.
Описание заявляемого изобретения поясняются чертежами, где на на фиг. 1 показан общий вид ходовой части выгона, а на фиг. 2 - ее подрамная конструкция.
Итак, в самом общем виде ходовая часть вагона содержит шарнирно соединенные с рамой 1 две ходовые тележки 2 и рулевую колесную пару 3, связанную через узлы амортизации с подвижной поперечной балкой 4, установленной, например, в направляющих роликах 5. На поперечной балке 4 или под ней установлен подвижный шток 6 с роликами на его концах, связанный, например, с электромагнитным приводом 7, а также с поворотными звеньями 8, соединенными жесткими связями 9 с ходовыми тележками 2.
Привод штока 6 управляется датчиком, например, индукционным, реагирующим на направление движения вагона (в данном случае показанное стрелкой, см. фиг. 2).
Процессы, обеспечивающие оптимальные условия работы колесных пар при движении состава по рельсам, состоят в следующем. На любых участках пути рулевая колесная пара 3, занимая определенное положение с минимально допустимым зазором между гребнями колес и головками рельсов, отслеживает изменение кривизны рельсового пути. При этом перемещение поперечной балки 4 по роликам 5 передается через шток 6, поворотные звенья 8 и жесткие связи 9 ходовым тележкам 2. Их оптимальным положением следует считать такой угол поворота на кривых участках пути, при котором передние по ходу колеса тележек движутся по касательным к осям рельсов в местах их контакта, при этом задние колеса имеют незначительный поворот от касательных в их точках контакта в сторону центра кривизны пути. Возникающие при этом поперечные силы в основном компенсируются действующими на вагон центробежными силами. Не скомпенсированная сила в зависимости от ее направленности создает контакт гребней колес с тем или другим рельсом, но при этом контактное давление и, соответственно, их износ будут не сопоставимо малы в сравнении с теми же параметрами у современного железнодорожного транспорта.
А силы от проскальзывания колес из-за разности длин внешнего и внутреннего рельсов не могут влиять на поворот тележек, поскольку последние жестко связаны с рулевой колесной парой.
При указанном оптимальном повороте тележек 2 относительно вагонной рамы 1 на любом криволинейном участке пути угол поворота α звена 8 (см фиг. 2) больше угла β второго такого же звена, а передаточные отношения в кинематической связи штока 6 с поворотным основанием тележек не одинаковы. Это обеспечено перемещением штока 6 якорем электромагнитного привода 7 в сторону движения состава, при этом плечо рычага  поворотного звена 8 с этой стороны уменьшено, а с противоположной стороны увеличено.
Все параметры звеньев кинематической системы определяются проектными расчетами в зависимости от параметров ходовой части пожвижного состава.
Внедрение предлагаемого технического решения прозволит резко сократить эксплуатационные затраты, а - главное - предельно снизить вероятность аварийных ситуаций, связанных с износом системы "колесо-рельс".