КОЛЕСНАЯ ПАРА ВАГОНА С ФРИКЦИОННО-УПРУГОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КОЛЕСАМИ
CAR MOUNTED AXLE WITH RESILIENT FRICTION LINKAGE BETWEEN WHEELS

Изобретение предназначено для применения на железнодорожном транспорте и относится к ходовым частям вагона. Данное изобретение предназначено для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы.
2
1
Одним из прототипов принята известная колесная пара железнодорожного подвижного состава с независимым вращением колес, предназначенная для снижения износа системы «колесо-рельс» в кривых участках пути [1]. Ось данной колесной пары состоит из двух полуосей с полостью 10 и сплошного сечения 1 (фиг.1). Полуось сплошного сечения выполняют цельной вместе с упорным буртом 7 таким образом, чтобы ее диаметр d в месте под подшипник скольжения 6 был больше или равен диаметру d под ступицу колеса 2. На конце полуоси из сплошного сечения 1 выполнены две шейки для посадки радиального 8 и упорного 9 подшипников скольжения.
Подшипник скольжения 6 вместе с лабиринтным кольцом 4 насаживаются со стороны колеса на полуось 1 до упора в бурт 7, на другом конце полуоси 1 на шейки производится монтаж радиального 8 и упорного 9 подшипников скольжения. Соединение полуосей осуществляется крышкой 5 при помощи болтов 3. Крышка за счет выполненных на внутренней стороне проточек образует с лабиринтным кольцом 4 уплотнение (лабиринт), которое защищает подшипники от попадания пыли, влаги и грязи. Герметизация соединения крышки с корпусом подшипника осуществляется резиновым кольцом-прокладкой, которое надевается на крышку. Своим выступом крышка упирается в наружное кольцо подшипника 6.
Независимость вращения колес у колесной пары обеспечивается подшипниками 6, 8 и 9. Осевая целостность колесной пары обеспечивается упорным буртом 7, выступом на крышке 5 и подшипником скольжения 6, способным воспринимать осевые нагрузки. Во время движения колесной пары полуось 1 стремится выйти из полости полуоси 10 и упорным буртом 7 упирается во внутреннее кольцо подшипника 6, далее через поверхности скольжения колец подшипника усилие передается на наружное кольцо подшипника 6, которое упирается в выступ на крышке 5. Крышка 5 болтами 3 соединена с полуосью 10.
Основным недостатком данной конструкции колесной пары как прототипа является то, что она не обладает свойством достаточного «самоцентрирования» при движении в прямых участках пути.
Несмотря на то что у колесных пар со свободными колесами силы продольного проскальзывания колес по рельсам существенно ниже, чем у типовых колесных пар с жесткой посадкой колес на оси, износ больше за счет увеличения времени отрицательного воздействия, т.е. потери направляющего действия рельсовой колеи, гребни бандажей постоянно контактируют с головками рельсов.
Движение тележки, оборудованной колесными парами со свободными колесами, по идеально ровному прямому участку пути происходит ровно без «собственного виляния» до появления на одной из нитей рельсового пути горизонтальной неровности. При прохождении данной неровности тележка относится в сторону, пока гребень первой по ходу колесной пары не упрется в боковую поверхность рельса. Дальнейшее движение происходит в таком же состоянии (без отрыва гребня колеса от рельса). При наличии постоянно повторяющихся горизонтальных неровностей рельсов движение экипажей с такими колесными парами часто приводит к тому, что, наезжая на неровность одной нити, тележка выталкивается к другой стороне рельсового пути и прижимается к нему до тех пор, пока не происходит отталкивания в другую сторону. При достаточной скорости движения воздействия неровностей приближаются к «импульсным толчковым силам», что ведет к возрастанию износа системы «колесо-рельс» и ухудшению плавности хода экипажа в прямом участке пути.
Вторым существенным недостатком представленной колесной пары является большая масса оси колесной пары, что превышает массу типовой оси почти в 2 раза [3]. Что увеличивает тару вагона и вредное воздействие необрессоренных частей на рельсовый путь и вагон.
Другим прототипом является «колесная пара рельсового транспортного средства» [2]. Данная колесная пара содержит две упруго соединенные между собой полуоси 11 и 12 с жестко насаженными на них колесами 13 (фиг.2). Упругое соединение полуосей состоит из промежуточной втулки 14, жестко связанной с полуосью 12, цилиндрических тел качения 15, объединенных сепаратором 16, и упругого эластомерного элемента 17 с армирующими пластинами 18, имеющими вогнутый профиль (фиг.3). Упругий эластомерный элемент жестко связан с полуосью 11. Сепаратор 16 соединен с промежуточной втулкой 14.
Колесная пара работает следующим образом.
При движении колесной пары в точках контакта колес с рельсами возникают силы трения проскальзывания, которые не равны друг другу и часто направлены в противоположные стороны. Под действием данных сил полуоси 11 и 12 будут совершать относительные повороты вокруг их общей оси. При этом в упругом соединении полуосей происходит следующее. Цилиндрические тела качения 15, объединенные сепаратором 16, который жестко связан с промежуточной втулкой 14, перемещаются по вогнутым поверхностям армирующих пластин 18 упругого эластомерного элемента 17, вызывая его деформацию. Пропорционально смещению тел качения из начального положения увеличивается и момент сопротивления повороту.
Колесная пара может работать в двух режимах. При движении колесной пары на прямых участках пути с относительно небольшими продольными силами проскальзывания колес по рельсам моменты сил, возникающие в контакте колес с рельсами, также относительно невелики. В итоге внешний момент, скручивающий колесную ось меньше максимального передаваемого соединением полуосей крутящего момента, величина которого определяется расчетным путем и устанавливается подбором контактируемых параметров соединения полуосей, т.е. предлагаемая колесная пара работает как обыкновенная торсионно-упругая. При движении колесной пары на кривых участках пути возникающие продольные силы проскальзывания колес по рельсам становятся значительно больше и, следовательно, увеличиваются моменты, скручивающие ось колесной пары. Если внешний скручивающий момент оказывается больше, чем установленный максимальный передаваемый соединением полуосей крутящий момент, то происходит относительный поворот полуосей колесной пары. При этом тела качения, связанные через сепаратор с одной из полуосей колесной пары, перемещаются по поверхностям армирующих пластин 18 упругих элементов 17 из одной впадины между армирующими пластинами в другую на угол α без возращения в исходное положение. Таким образом, могут уравниваться пути, проходимые левым и правым колесами колесной пары на кривом участке пути, соответственно снизятся пути чистого скольжения колес в точках контакта по рельсам.
Одним из главных недостатков предлагаемой конструкции является ее низкий уровень реализуемости:
1. Не предусмотрены устройства, обеспечивающие осевую целостность оси колесной пары, в результате чего при движении подвижного состава полуось 11 может без труда выйти из полуоси 12 и тем самым привести к аварии или крушению;
2. Не предусмотрены устройства, обеспечивающие герметичность упругой муфты, в результате возможно попадание внутрь втулки 14 грязи, пыли и воды, что может привести к коррозии металлических деталей оси и их интенсивному износу;
3. Не предусмотрены устройства компенсации трения (подшипники) между полуосями 11 и 12 при вращении относительно друг от друга;
4. Действующие во время движения на буксовые шейки оси колесной пары силы веса являются внушительными, что говорит о недостаточной прочности представленной конструкции промежуточной втулки 14 и упругого эластомерного элемента 17;
5. Упругая муфта может не выполнять своей функции в связи с тем, что момент для преодоления смятия упругого эластомерного элемента для проворота одного колеса относительно другого будет больше, чем предельный момент срыва сцепления качения роликов (цилиндрических тел качения 15) по внутренней цилиндрической поверхности втулки 14. В такой ситуации может произойти зажатие цилиндрических тел качения 15 между армирующими пластинами 18 упругого эластомерного элемента 17. Далее ролики 15 утратят возможность перекатываться, а начнут скользить (без вращения) по внутренней поверхности цилиндрической поверхности втулки 14, в результате чего упругая связь между колесами будет частично нарушена.
Предлагается конструкция колесной пары, которая устраняет вышеперечисленные недостатки прототипов, в частности обеспечение необходимой связи между угловыми скоростями колес и 100%-ная реализуемость предлагаемой конструкции с обеспечением необходимой надежности и долговечности (увеличение срока службы) железнодорожной колесной пары и обеспечение безопасности движения подвижного состава.
Основная цель конструктивного совершенствования колесной пары - реализовать докритический уровень относительного скольжения в контакте каждого колеса с рельсом и исключить взаимное влияние неодинаковых условий контактирования обоих колес. Это обеспечит минимизацию износа контактных поверхностей колеса и рельса при движении, как в прямых, так и в кривых участках пути, позволит уменьшить виляние подвижного состава при движении в прямых участках пути и коэффициент устойчивости от схода в кривых участках пути. В конечном счете такая конструкция позволит повысить скорости движения подвижного состава, сократить эксплуатационные расходы и поднять производительность железной дороги в целом.
На фиг.4 представлен общий вид конструкции колесной пары. На фиг.5 вынесены элементы фрикционно-упругой муфты. На фиг.6 представлен разрез А-А элементов фрикционно-упругой муфты.
Предлагаемая колесная пара состоит из оси дифференциального исполнения на подступичные шейки, которой напрессованы колеса 20. Ось дифференциального исполнения состоит из двух полуосей с полостью 19 и сплошного сечения 31 (фиг.4). В полуоси с полостью 19 в месте перехода от сплошного сечения к полости, между поверхностью дна и внутренней цилиндрической поверхностью полости, выдержан необходимый радиус перехода R для исключения концентрации напряжений в месте перехода. Полуось сплошного сечения 31 выполняют цельной вместе с упорным буртом 26, выступами 23 и двумя шейками для посадки радиального 24 и упорного 21 подшипников скольжения. Для уменьшения веса полуось 31, от посадочных шеек под подшипники 21 и 24 до упорного бурта 26, выполняется конусной, что обеспечивает постоянный коэффициент запаса прочности полуоси по длине конуса.
Подшипник скольжения 27 вместе с лабиринтным кольцом 28 насаживаются со стороны колеса на полуось 31 до упора в бурт 26, на другом конце полуоси 31 на шейки производится монтаж радиального 24 и упорного 21 подшипников скольжения, которые закрываются стаканом 22 (фиг.4 и 5). Стакан 22 предназначен для обеспечения необходимой точности посадочных поверхностей наружным кольцам подшипников 21 и 24. При этом наружная кромка дна стакана имеет необходимый радиус R округления для возможности установки стакана на дно полости полуоси 19. Для соблюдения радиуса округления R наружной кромки дна стакана и обеспечения необходимой посадочной поверхности наружному кольцу упорного подшипника 21 дно стакана по сравнению со стенками имеет увеличенную толщину, равную d.
Условно можно определить, что стакан 22 вместе с упорным 21 и радиальным 24 подшипниками представляют собой внутренний подшипниковый узел, а подшипник 27 вместе с крышкой 30 и лабиринтным кольцом 28 представляют собой наружный подшипниковый узел. Соединение полуосей осуществляется крышкой 30 при помощи болтов 29.
Крышка 30 за счет выполненных на внутренней стороне проточек образует с лабиринтным кольцом 28 уплотнение (лабиринт), которое защищает подшипники от попадания пыли, влаги и грязи. Герметизация соединения крышки с корпусом подшипника осуществляется резиновым кольцом-прокладкой, которое надевается на крышку. Своим выступом крышка упирается в наружное кольцо подшипника 27. Независимость вращения колес у колесной пары обеспечивается подшипниками 21, 24 и 27.
Осевая целостность колесной пары обеспечивается упорным буртом 26, выступом на крышке 30 и подшипником скольжения 27, способным воспринимать осевые нагрузки. Во время движения колесной пары по рельсовому пути в ряде обстоятельств полуось 31 стремится выйти из полости полуоси 19 и упорным буртом 26 упирается во внутреннее кольцо подшипника 27, далее через поверхности скольжения колец подшипника усилие передается на наружное кольцо подшипника 27, которое упирается в выступ на крышке 30. Крышка 30 болтами 29 соединена с полуосью 19.
Оптимальная работа предлагаемой конструкции колесной пары предполагается в компромиссе между типовой колесной парой с жестко насаженными на ось колесами и свободно вращающимися на оси колесами. Для чего предлагается обеспечить необходимую фрикционно-упругую связь между угловыми скоростями колес у колесной пары путем включения между полуосями 19 и 31 упругого эластомерного элемента 25 длиной L.
Для надежного закрепления к внутренней поверхности цилиндрической полости полуоси 19 упругий эластомерный элемент 25 устанавливается вплотную к краю стакана 22, так чтобы он своими пазами 33 входил в направляющие стакана 32. На внутренней цилиндрической поверхности упругого эластомерного элемента 25 располагаются упругие выступы 34 высотой Н и шириной Т, которые входят в зацепление с выступами 23 высотой h и шириной t, которые располагаются на полуоси 31 (фиг.6).
Колесная пара работает следующим образом.
При движении колесной пары в точках контакта колес с рельсами возникают силы трения проскальзывания, которые не равны друг другу и часто направлены в противоположные стороны. Под действием данных сил полуоси 19 и 31 будут совершать относительные повороты вокруг их общей оси. При этом в упругом соединении полуосей происходит следующее. Упругие выступы 34 эластомерного элемента 25 деформируются, перемещаясь по вогнутым поверхностям между выступами 23 полуоси 31. Пропорционально смещению и деформации выступов 34 из начального положения увеличивается и момент сопротивления повороту между колесами.
Так как подшипники скольжения 21, 24, 27 также имеют некоторое фрикционное сопротивление, связь между колесами можно считать фрикционно-упругой. При этом совокупность элементов, напрямую или косвенно препятствующих относительному повороту колес относительно друг друга сопротивления, можно назвать фрикционно-упругой муфтой.
Колесная пара работает в двух режимах. При движении колесной пары на прямых участках пути с относительно небольшими продольными силами проскальзывания колес по рельсам моменты сил, возникающие в контакте колес с рельсами, также относительно невелики. В итоге внешний момент, скручивающий колесную ось, меньше максимального передаваемого соединением полуосей крутящего момента, величина которого определяется расчетным путем и устанавливается подбором количества n выступов 23 и упругих выступов 34 и их контактируемых параметров Т, t, Н, h, L, т.е. предлагаемая колесная пара работает как обыкновенная торсионно-упругая. И при движении колесной пары на кривых участках пути возникающие продольные силы проскальзывания колес по рельсам становятся значительно больше и, следовательно, увеличиваются моменты, скручивающие ось колесной пары. Если внешний скручивающий момент оказывается больше, чем установленный максимальный передаваемый соединением полуосей крутящий момент, то происходит относительный поворот полуосей колесной пары. При этом упругие выступы 34 перемещаются по поверхности выступов 23 полуоси 31 из одной впадины в другую на угол β без возращения в исходное положение. Таким образом, могут уравниваться пути, проходимые левым и правым колесами колесной пары на кривом участке пути, соответственно снизятся пути чистого скольжения колес в точках контакта по рельсам.
Технический результат предлагаемой конструкции достигается за счет:
- уменьшения веса оси колесной пары более чем на 20% при обеспечении необходимого коэффициента запаса прочности за счет выполнения полуоси 31 из сплошного материала под конус, что обеспечивает постоянный момент сопротивлению сечения по всей длине;
- повышение надежности оси за счет исключения концентраторов напряжений в полуоси с полостью 19 путем выполнения оптимального радиуса перехода в месте перехода от сплошного сечения к полости между дном и внутренней цилиндрической поверхностью полости;
- повышение надежности оси за счет обеспечения необходимой точности посадочных поверхностей подшипникам 21 и 24 путем применения связующего стакана 22;
- обеспечение оптимальной работы предлагаемой конструкции колесной пары в прямых и кривых участках пути за счет компенсации продольных паразитных сил трения проскальзывания путем обеспечения фрикционно-упругой связи между угловыми скоростями колес у колесной пары.
Источники информации
1. Заявка 2011142703 Российская Федерация, Колесная пара вагона дифференциального исполнения [Текст] / Чупраков Е.В., Мельниченко О.В., Павлов В.В.; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС). - №2011142703; заявл. 21.10.11.
2. Пат. 1250479 Российская Федерация, МПК В60В 35/14. Колесная пара рельсового транспортного средства [Текст] /Михайлов Е.В., Горбунов Н.И., Коняев А.Н., Голубенко А.Л.; заявитель и патентообладатель Ворошиловградский машиностроительный институт.-№3863905; заявл. 06.03.1985; опубл. 15.08.1986.
3. Вагоны [Текст]; под ред. Л.Д.Кузьмича. - М.: Машиностроение, 1978, - 376 с.