КОЛЕСНАЯ ПАРА ВАГОНА ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВПИСЫВАНИЯ В КРИВУЮ

Изобретение предназначено для применения на железнодорожном транспорте и относится к движителям, предназначенные для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы.
Колесные пары, используемые в настоящее время (типовые) имеют следующие устройство (рис.1). Расстояние между внутренними гранями колес составляет: для колесных пар, предназначенных для скоростей движения: до 120 км/ч - 1440±3, свыше 120, но не более 160 км/ч - (1440) мм. Для пассажирских вагонов, эксплуатирующихся в поездах со скоростью от 120 до 140 км/ч, минимальное значение толщины гребня допускается 28 мм, а со скоростями от 140 до 160 км/ч - 30 мм [1].
Ось колесной пары вагона 1 - это элемент, на котором укрепляются колеса 2 (рис.1). Ось представляет собой брус круглого, переменного по длине поперечного сечения [1]. У вагонной оси имеются две шейки 3, предподступичные 4 и подступичные части 5, а также средняя часть оси. Для снижения концентрации напряжения в местах изменения диаметров оси делают плавные переходы - галтели 6, выполненные определенным радиусом. В вагонных осях с креплением подшипников качения при помощи шайбы в торцах осей делают отверстия с нарезкой. Такое крепление может быть выполнено в двух вариантах: при помощи трех или четырех болтов. В центре торцов всех типов вагонных осей сделаны отверстия для установки и закрепления оси или сформированы колесной пары при обработке на станках. Предподступичные части оси - это переходные зоны от шеек к подступичным частям. На предподступичных частях размещаются задние уплотнения буксовых узлов: уплотнительные шайбы при буксовых узлах с подшипниками скольжения, лабиринтные кольца при буксовых узла с подшипниками качения. Средняя часть оси имеет конический переход от подступичных частей.
Колеса колесных пар вагона различают: по конструкции - цельно-кратные и бандажные, состоящие из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца; по способу изготовления - катаные и литые; по диаметру, измеренному по кругу катания, - 950 и 1050(мм). При качении колес по рельсам они испытывают сложные виды нагружения: контактные ударные нагрузки, трения от соприкосновения с рельсами и тормозными колодками.
Цельнократное колесо имеет обод, диск и ступицу. От внутренней базовой грани поверхности обода находятся так называемый круг катания 7, по которому измеряют прокат, диаметр колеса и толщину обода. Ступица 8 колеса в холодном состоянии прочно запрессована на ось 1. Переход от ступицы к ободу выполнен в форме диска 9, расположенного под некоторым углом к этим частям, что придает колесу упругость и снижает воздействие
динамических сил. Для рационального взаимодействия колес с рельсами важное значение имеет профиль поверхности катания колес. Стандартный профиль колеса имеет гребень 10, коническую поверхность 1:10, 1:3,5 (рис.1). Гребень колеса направляет движение и предохраняет колесную пару от схода с рельсов. Он имеет высоту 28 мм толщину 33 мм, измеренную на высоте 18 мм. Конусность 1:10 обеспечивает центрирование колесной пары при движении ее на прямом участке пути, предотвращая образование неравномерного проката по ширине обода, и улучшает прохождение прямых участков пути. Вместе с этим совокупность 1:10 создает условие для извилистого движения колесной пары, что неблагоприятно сказывается на плавности хода вагона [2].
В кривых участках рельсового пути при вписывании колесной пары длина пути левого и правого колеса различна в связи их конусности круга катания. Так как оба колеса связаны жестко осью, происходит нарушение необходимого условия качения колес колесной пары в кривых участков пути, увеличивается проскальзывание колеса относительно рельса и набегания гребня наружного колеса на боковую грань рельса. Колесная пара движется в кривой все время в перекошенном к оси пути состоянии, постоянно раздвигая и изгибая рельсы, расстраивая их скрепление со шпалами. Все это приводит к интенсивному износу, как рельсов, так и поверхности катания колес подвижного состава [3].
Недостатками типовой колесной пары являются:
- относительно невысокий уровень безопасности движения поездов;
- при вписывании в кривую возникают дополнительные силы сопротивления движению значительной величины, обуславливающие потерю энергии;
- высокая интенсивность износа поверхности катания колесных пар;
- высокая интенсивность износа рельсов;
- недостаточная устойчивость при движении по криволинейному пути;
- низкая скорость прохождения в кривых участках пути;
- зависимость скорости вращения одного колеса от другого при жесткой взаимосвязи через ось колесной пары, что вызывает повышенное проскальзывание колеса относительно рельса, а при прохождении кривых участков малого радиуса вызывает выламывание рельса;
- занятость участка пути рельсосмазывателями (электровозами);
- негативное воздействие на экологию (металлическая пыль и последствия смазывания боковой грани головки рельса композициями на основе нефти).
Предлагается модернизированная колесная пара вагона с дифференциальным вписыванием в кривую, которая позволит исключить ряд
существенных недостатков, указанных выше.
Основная цель разработки - обеспечение независимости вращение одного колеса относительно другого, а также обеспечение необходимого поперечного смещения оси при прохождении кривой участка пути, путем сжатия резинометаллического элемента 11, расположенный в оси колесной пары (рис.2).
Предлагаемая конструкция колесной пары вагона заключается в том, что она уже не представляет собой жесткую цельную ось. Это достигается за счет разделения оси на расстоянии А от ступицы левого колеса и вырезам правой части оси шириной С+Б (рис.2). Вместо вырезанной правой части оси вставляются полимерная вставка 12 шириной С, предназначенная для обеспечения трения оси колесной пары при дифференциальном вписывании в кривую и резинометаллического элемента 11 шириной Б, предназначенного для сжатия оси при возникновении поперечных сил, возникающих при вписывании колесной пары в кривую. В полимерную вставку устанавливается резиновая вставка 23, предназначенная для предотвращения попадания графитовой смазки в контакте полимерной вставки и оси, к резинометаллическому элементу.
Полый трубчатый двухслойный элемент 13 садится на горячую посадку, на правую часть оси колесной пары, состоящую из полимерной вставки 12, резинометаллического элемента 11 и самой части оси 14.
Левая часть оси 24 колесной пары заканчивается полусферой 15, которая упирается в полимерную вставку правой части оси колесной пары. Относительное вращение оси колесной пары обеспечивается подшипниковым узлом качения, который состоит из корпуса 16 (граната), в корпус устанавливается роликовый подшипник 17, предназначенный для обеспечения независимого вращения левой оси колесной пары относительно правой части оси, сальник 18 предназначенный для внутренней герметизации смазочного материала подшипника, стопорного кольца 19, предназначенного для фиксации подшипника в гранате, манжета 20, предназначенная для исключения попадания грязи, пыли и влаги в подшипник качения, полимерного кольца 21, предназначенного для наружной герметизации подшипникового узла (рис.2). Полимерное кольцо вставляется в кольцевую проточку гранаты до упора в ступицу колесного центра (рис.2).
Приливы гранаты 22 в горячим состоянии насаживаются на трубчатый двухслойный элемент 13, внутрь которого вставляется левая часть оси колесной пары 24. В связи с такой предлагаемой конструкцией будет обеспечиваться независимость вращения колес колесной пары в кривой участка рельсового пути (дифференциальное вписывание).
Ощутимых результатов по снижению интенсивности износа рельсов и колес подвижного состава можно добиться при внедрении предлагаемой колесной пары дифференциального вписывания в кривую.
Работа предлагаемой колесной пары в прямых и горизонтальных участках профиля пути обеспечивается синхронным вращением колесных центров, аналогично работе типовой колесной пары. Технический результат достигается в кривых участках рельсового пути при вписывании колесной пары в кривую, когда гребень колеса прижимается к боковой грани наружного рельса, за счет обеспечения разности скоростей их вращения, путем вращения левой части оси колесной пары за счет включения в работу подшипникового узла с отличной частотой вращения относительно правой части оси колесной пары. Дифференциальное вращение колес колесной пары снижает дополнительные силы, возникающие в кривой. Это существенным образом снижает износ поверхностей круга катания колесных пар вагонов и рельсового пути. Между рельсовой колеей и гребнем, колеса необходимо наличие зазоров, которые имеются при прохождении прямых участков. При прохождении же кривых участков заданного радиуса, типовое колесо, которое идет по наибольшему радиусу плотно прижимается гребнем к внутренней части рельса (выберая весь зазор), тем самым, пытаясь «вывернуть» его, раздвигая и изгибая рельсы, что приводит к снижению уровня безопасности перевозок и существенным образом увеличивает износ. Предлагаемая колесная пара обеспечивает заданный зазор за счет включения в работу резинометаллического блока, который от действующих поперечных усилий сжимается и тем самым, обеспечивает наличие необходимого для прохождения данного участка зазора, что позволит увеличить скорость прохождения кривых участков рельсового пути.
Список литературы
1. Шадур Л.А. Вагоны. Конструкция, теория и расчет: /ред. Л.А.Шадур, Москва: Транспорт, 1980. - 439 с.
2. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог, конструкция и динамика: учебник, Москва: Транспорт, 1974. - 232 с.
3. Износ рельсов и колес подвижного состава: /под ред. К.Л.Комарова и Н.И.Карпущенко. - СГАПС, 1997. - 153 с.