КОЛЕСО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAIL VEHICLE WHEEL

Изобретение относится к рельсовому транспорту, начиная от железнодорожных дорог до мостовых подъемных кранов и монорельсовых дорог.
Известны конструкции колес колесных пар рельсовых транспортных средств, содержащие упругие элементы, гасящие вибрацию, которая возникает при движении колесных пар в рельсовой колее, например "Колесо рельсового транспортного средства" по авторскому свидетельству РФ №2207250, МКИ 7 B60B 9/12. За прототип на основании наибольшего совпадения принято "Колесо рельсового транспортного средства" по авторскому свидетельству РФ №2376150, МКИ 7 B60B 9/12, эта конструкция колеса состоит из следующих деталей: оси колесной пары, упорного диска, обода, упругого элемента обода, диска и ступицы, ступицы тормозного диска, тормозного диска, оборудованного тормозными колодками и механизмом нажатия, а также подшипника ступицы тормозного диска. Недостатками этого технического решения являются воздействия на гибкую прокладку обода (резина) и подшипник ступицы тормозного диска мощной внешней тепловой энергии, которую формируют следующие контактирующие элементы конструкции колеса: "тормозная колодка - тормозной диск" и "обод - рельс".
При торможении в дисковом тормозе генерируется значительная по мощности тепловая энергия, которая поступает от тормозного диска через ступицу тормозного диска в зону ее подшипника. Тепловая энергия в точке контакта подрессоренного обода и рельса формируется при его деформации и проскальзывании по рельсу в процессе движения, при изменении направления движения и торможении, что приводит к повышенному дополнительному нагреву упругой прокладки обода. Дополнительное тепловое воздействие снижает ресурс и надежность гибкой прокладки обода и подшипника ступицы тормозного диска и, соответственно, снижает уровень безопасности движения колесной пары. Например, при торможении обода в режиме юза по рельсу в точке их контакта металл обода нагревается до 1200°C, а тормозного диска до 320°C. При этом допустимые значения температуры для указанных элементов конструкции колеса составляют: рабочая для резиновой прокладки - 60°C и предельно допустимая - 150°C, для подшипника - 60°C и 120°C соответственно.
Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении безопасности и комфортности движения рельсового экипажа.
Указанная цель достигается за счет исполнения колеса как цельной детали, состоящей из обода, диска и ступицы. Ступица посредством упругой прокладки установлена на подшипнике, который находится на оси колесной пары. Внешняя цилиндрическая поверхность обода выполняет роль поверхности катания, которая катится по рельсу, передавая на него нагрузку от верхнего строения экипажа. Предложенная конструкция колеса как цельной детали, состоящей из обода, диска и ступицы, обеспечивает ее обособленность от гребневого диска по координате вращения и ограничение направления ее движения в колесной паре. Кроме этого, вместо дискового тормоза применяется тормозная колодка, установленная на поверхности катания обода и оснащенная механизмом нажатия. При нажатии тормозной колодки на поверхность катания обода формируется сила торможения поступательному движению колесной пары. В результате такого технического решения мощные внешние источники тепловой энергии размещены на поверхности катания обода (контактирующие поверхности: "обод - тормозная колодка" и "обод - рельс"). Между указанными источниками тепловой энергии с одной стороны и упругой прокладкой и подшипником ступицы с другой стороны находятся внешние поверхности обода, диска и ступицы колеса, выполненного как цельная деталь. Эти поверхности имеют значительные по размерам площади, которые эффективно рассеивают тепловую энергию в окружающей среде.
Предложенное техническое решение дает и дополнительный положительный эффект. Так, при торможении в зоне нажатия тормозной колодки формируется износ по всей поперечной ширине поверхности катания обода. В это же время в процессе эксплуатации в точке контакта обода и рельса образуется другой тип износа, который формирует корытообразный поперечный профиль поверхности катания обода (прокат). При наличии проката тормозная колодка в режиме торможения скользит по участкам поверхности катания обода, находящимся вне зоны проката. В результате сопровождающий процесс торможения износ поверхности катания обода компенсирует изменения очертания поперечного профиля поверхности катания, обусловленные образованием проката. Кроме этого, при скольжении тормозной колодки по поверхности катания обода, как в режиме торможения, так и при его отсутствии, осуществляется очистка поверхности катания от посторонних материалов (песка, масла и т.д.), что повышает коэффициент сцепления обода с рельсом и снижает контактные напряжения в металле обода и рельса. С помощью дифференцирования сил торможения индивидуальных тормозных колодок обоих ободьев колесной пары возможно управление направлением движения колесной пары в горизонтальной плоскости при прохождении кривых участков пути, а также регулирование скорости движения рельсового экипажа вплоть до его остановки.
На чертеже представлена кинематическая схема предлагаемого изобретения.
На ось колесной пары 15 жестко установлен упорный диск 7, жесткая установка которого обеспечена посадкой с "натягом" на ось 15 и кольцевым уступом 5, играющим роль упора. Колесо выполнено как цельная деталь, состоящая из обода 3, диска 2 и ступицы 1. Внешняя цилиндрическая поверхность обода 3 используется в качестве поверхности катания, опирающейся на рельс. Ступица 1 установлена на подшипнике 6 посредством упругой прокладки 4, например резины. Постоянство положения обода 3 относительно оси колесной пары 15 поддерживается посадочными поверхностями: внутренней поверхностью ступицы 1, упругой прокладкой 4 и внешней поверхностью подшипника 6. Подшипник 6 закреплен на оси колесной пары 15. Ось колесной пары 15 опирается на буксовые подшипники 16, которые установлены в корпусе буксы 14. На раме тележки 17 жестко закреплены тормозной цилиндр 9 с поршнем 12 и телескопический шарнир 11. Тормозная колодка 8 закреплена на рычаге 10, второй конец которого соединен с поршнем 12 тормозного цилиндра 9. Рабочие положения тормозной колодки 8 и рычага 10 обеспечиваются телескопическим шарниром 11. Через входное отверстие 18 в тормозной цилиндр 9 подается под давлением Р рабочее тело (воздух, жидкость). Корпус буксы 14 соединен посредством шарнирных поводков 13 с рамой тележки 17.
Колесо как цельная деталь, состоящая из обода 3, диска 2 и ступицы 1, работает следующим образом. Ступица 1 закреплена на подшипнике 6 посредством упругой прокладки 4, например резины, и свободно вращается на подшипнике 6. В результате обод 3 катится по рельсу, преодолевая стыки и неровности. Постоянство положения обода 3 относительно оси колесной пары 15 посредством диска 2 поддерживается посадочными поверхностями ступицы 1, подшипника 6 и упругой прокладкой 4 между ними. Ударные перемещения обода по неровностям и стыкам рельсов компенсируются через диск 2 и ступицу 1 упругой прокладкой 4. Снижение ударных воздействий благотворно сказывается на долговечности пути и экипажа, кроме того, уменьшается уровень шума при движении. Жесткая установка упорного диска 7 на оси колесной пары 15 совместно с упорным диском второго колеса, выполненным симметрично относительно продольной оси колесной пары, ограничивает смещение колес колесной пары относительно рельсов, с которыми упорные диски 7 контактируют боковыми поверхностями. Колесо как цельная деталь, состоящая из обода 3, диска 2 и ступицы 1, имеет возможность независимого вращения относительно упорного диска 7 и оси колесной пары 15 благодаря подшипнику 6, что устраняет паразитное проскальзывание обоих ободьев колесной пары по рельсам и тем самым уменьшает сопротивление качению колесной пары особенно в кривых участках пути, обусловленное разностью пройденного ободьями колесной пары пути по внутренней и внешней рельсовым нитками. Поверхность катания обода 3 выбрана цилиндрической. Такая поверхность создает меньшие осевые усилия, чем типовые конические.
При подаче через отверстие 18 в тормозной цилиндр 9 под давлением Р рабочего тела формируется сила нажатия поршня 12, которая через тягу 10 передается на тормозную колодку 8. Тормозная колодка 8 под действием тормозного нажатия прижимается к поверхности катания обода 3 и образует тормозную силу, которая передается в точку контакта обода и рельса. Реакция от силы торможения тормозной колодки 8 по ободу 3 передается на рычаг 10, телескопический шарнир 11 и на раму тележки 17. Сила торможения поступательному движению колесной пары, которая формируется в точке контакта обода и рельса, передается от обода 3 на диск 2, ступицу 1, упругую прокладку 4, подшипник 6, ось колесной пары 15, буксовые подшипники 16, корпус буксы 14, шарнирные поводки 13 и раму тележки 17.
Требуемый технический результат достигается тем, что обод 3 вращается независимо от аналогичного обода второго колеса колесной пары и оснащен индивидуальной тормозной колодкой 8, действующей независимо от аналогичной тормозной колодки второго колеса колесной пары. В процессе торможения в зонах контактов поверхности катания обода с тормозной колодкой и рельсом генерируется значительный уровень тепловой энергии, которая распространяется в толщине металла обода 3, диска 2 и ступицы 1. Внешние поверхности обода 3, диска 2 и ступицы 1, имея достаточную по размерам площадь, рассеивают в окружающей среде тепловую энергию и тем самым значительно снижают ее воздействие на упругую прокладку 4 и подшипник 6. В результате увеличивается ресурс и надежность работы упругой прокладки 4 и подшипника 6, а также безопасность движения колесной пары.
Дополнительные положительные эффекты
В процессе эксплуатации в точке контакта обода и рельса за счет проскальзывания и деформации металла образуется в средней части поверхности катания обода криволинейный поперечный профиль (прокат). При торможении цилиндрическая поверхность тормозной колодки 8 скользит по всей поперечной ширине поверхности катания обода 3, а при наличии проката в средней ее части - по неизношенным участкам. В результате износ поверхности катания обода в зоне тормозной колодки поддерживает близкий к исходному очертанию поперечный профиль поверхности катания обода в процессе его эксплуатации. Кроме этого, при скольжении тормозной колодки по поверхности катания обода, как в режиме торможения, так и при его отсутствии, осуществляется очистка поверхности катания обода от посторонних материалов (песка, смазки и т.д.), что существенно повышает сцепление в точке контакта обода и рельса, дополнительно увеличивая уровень устойчивости и безопасности движения колесной пары.
Индивидуальные тормозные колодки двух ободьев колесной пары могут обеспечивать два варианта режима торможения: первый режим, тормозные колодки обоих ободьев тормозят синхронно с одинаковой силой нажатия; второй режим, тормозит тормозная колодка одного из ободьев колесной пары. В последнем варианте сила торможения одного из ободьев в колесной паре формирует момент сил, который стремится повернуть колесную пару в горизонтальной плоскости. Этот режим торможения может быть использован для управления направлением движения колесной пары и, соответственно, экипажа при вхождении в кривые участки пути и стрелочные переводы. Для снижения поступательной скорости движения колесной пары или осуществления полной ее остановки оба тормозных устройства должны тормозить по первому варианту - синхронно с одинаковой силой нажатия.
Комфортность внутри экипажа и безопасность его движения достигается за счет изготовления колеса как цельной детали, состоящей из обода, диска и ступицы, а также установки упругой прокладки между ступицей и ее подшипником. Это позволяет улучшить динамику движения колесной пары и снизить шум при взаимодействии обода и рельса. Оснащение каждого обода колесной пары индивидуальной тормозной колодкой дает следующие возможности: обеспечить требуемый уровень теплового режима работы упругой прокладки и подшипника ступицы; регулировать скорость поступательного движения колесной пары; осуществлять управление направлением ее движения в горизонтальной плоскости при прохождении кривых участков пути, стрелочных переводов; обеспечить дополнительное снижение износа поверхностей катания обода, упорных дисков колесной пары и поверхностей катания головок рельсов; позволяет в режиме торможения за счет износа в точке контакта "тормозная колодка - обод" поддерживать стабильность поперечного профиля поверхности катания обода, близкого к исходному, а также реализовать повышенное значение коэффициента сцепления в точке контакта обода и рельса. Все это дает возможность поддерживать на высоком постоянном уровне безопасность движения колесной пары и комфорта внутри экипажа.