ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕЛЕЖКА ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ЭКИПАЖА
HIGH-SPEED CARRIAGE FOR LOCOMOTIVE UNDERFRAME

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение представляет собой двухосную тележку рельсового транспортного средства, в частности моторного вагона высокоскоростного электропоезда. Тележка имеет возможность радиальной установки в кривых участках пути и может эксплуатироваться в высокоскоростном движении.
«Уровень техники»
В России были разработаны несколько подобных тележек с радиальной установкой: Брянским государственным техническим университетом (одноосная тележка подвижной единицы железнодорожного транспорта - патент RU 2347701, двухосная тележка подвижной единицы железнодорожного транспорта - патент RU 2329907), Открытым акционерным обществом холдинговая компания "Коломенский завод" (тележка рельсового транспортного средства - патент RU 2333857), ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения" (тележка железнодорожного вагона - патент RU 2274571), ОАО "Брянский машиностроительный завод" (тележка железнодорожного транспортного средства - патент RU 2207274).
Недостатками конструкций приведенных выше тележек является отсутствие связи кузова с колесной парой (кроме тележек, разработанных Брянским государственным техническим университетом), что увеличивает металлоемкость тележек, а следовательно, и массу тележек, и приводит к ухудшению динамических качеств и усложнению условий обеспечения прочности рамы тележки. У тележек, разработанных в Брянском государственном техническом университете, связь кузова с колесными парами присутствует, однако недостатком данной конструкции является сложность размещения вертикального рессорного подвешивания, наличие платформы, соединяющей модуль тележки и неудачное расположение поводков, что приводит к перекосу тележки в горизонтальной плоскости.
В Московском государственном университете путей сообщения также имеется опыт разработки высокоскоростных тележек для подвижного состава. На эти разработки были получены патенты: одноосная тележка рельсового транспортного средства (патент RU 2209741), двухосная тележка железнодорожного транспортного средства (патент: RU 2291801), двухосная тележка рельсового транспортного средства (патент RU 2301166).
Прототипом предлагаемой тележки является «Двухосная тележка» (патент RU 2301166), в конструкцию которой были внесены значительные изменения, с целью дальнейшего ее совершенствования, а именно совершенствование ограничителей поперечных перемещений; исключение ножевых опор, подверженных усиленному износу; обеспечение возможности прохождения заводских кривых малого радиуса, а также совершенствование конструкции рамы тележки.
«Раскрытие изобретения»
Достигаемый в результате осуществления изобретения технический результат заключается в создании на основе «Двухосной тележки» (патент RU 2301166) тележки для моторного вагона электропоезда с возможностями: радиальной установки колесных пар в кривых участках пути, прохождения кривых малого радиуса, выполнения требований, установленных к показателям динамических качеств при скоростях движения до 400 км/ч.
Высокоскоростная тележка для рельсового экипажа представляет собой двухосную тележку, состоящую из двух сочлененных одноосных тележек с трехступенчатым рессорным подвешиванием. Первая ступень соединяет буксы колесной пары с рамой одноосной тележки. Вторая ступень соединяет раму каждой одноосной тележки с кузовом, а третья ступень - кузов с буксами каждой колесной пары. Третья ступень рессорного подвешивания тележки может быть выполнена в двух вариантах: в первом варианте кузов опирается на каждую буксу колесных пар через две пневморессоры диафрагменного типа, расположенные юбками в разные стороны. Во втором варианте опирание кузова на буксы происходит через резинометаллический элемент и систему, состоящую из двух пружин и подпружиненного гидравлического гасителя колебаний. Соответствующим подбором упругих и диссипативных характеристик связей кузова с буксой, кузова с рамой тележки, а также рамы тележки с буксой можно обеспечить работу рамы тележки в режиме динамического гасителя колебаний, что значительно улучшает показатели динамических качеств предлагаемой тележки.
За счет введения третьей ступени рессорного подвешивания сила тяжести кузова передается непосредственно на буксы колесных пар и создаются условия для работы рам тележек в качестве динамических гасителей. Динамический гаситель преобразовывает механическую энергию колебаний защищаемого тела в механическую энергию колебаний дополнительной массы, роль которой в данном случае выполняет рама тележки. В нем для гашения колебаний используется явление антирезонанса.
Внутренние концы одноосных тележек соединены между собой диагональными тягами для синхронизации радиальной установки колесных пар в кривых и повышения критической скорости движения в прямых участках пути.
Рама тележки состоит из двух легких продольных и двух поперечных балок. На раме установлен тяговый двигатель, тормозные устройства и кронштейны крепления продольного поводка ограничителей колебаний, гидравлических гасителей колебаний и т.п. На тележке может быть применен тяговый привод любого класса. Первая ступень рессорного подвешивания состоит из двух однолистовых композитных рессор для передачи вертикальных, продольных и поперечных сил от колесной пары к раме тележки. С одной стороны рессоры шарнирно прикреплены к корпусам букс в разных точках, а с другой соединены между собой хомутом, установленным в гнезде поперечной балки рамы тележки. Демпфирование горизонтальных колебаний виляния выполнено отдельными гидравлическими гасителями на каждой тележке, а также ограничителем боковых колебаний. Этот ограничитель выполняет также демпфирование колебаний относа и боковой качки.
Данная тележка отличается от «Двухосной тележки» (патент РФ RU 2301166) рессорным комплектом третьей ступени рессорного подвешивания, в связи кузова с колесной парой, которая была реализована в виде двух пружин и параллельно соединенным с ними подпружиненного гасителя. Этот комплект заменен на две последовательно соединенные пневморессоры диафрагменного типа (вариант 1) или на систему из двух пружин и параллельно соединенным с ними подпружиненного гасителя, к которой последовательно присоединяется резинометаллический блок (вариант 2). Как первый, так и второй вариант допускают поперечное перемещение кузова относительно колесных пар на расстояние до 210 мм, что обеспечивает возможность прохождения кривых малого радиуса (до 50 м). Также оба этих варианта предусматривают замену ножевых упоров, установленных на «Двухосной тележке» (патент РФ RU 2301166) на резинометаллические блоки. В возвращающем устройстве вместо пружин применены две однолистовых композитных рессоры, с нелинейной характеристикой. Изменена конструкция рамы тележки: незамкнутая рама «Двухосной тележки» (патент РФ RU 2301166) [-образной формы, заменена более прочной замкнутой рамой, состоящей из двух боковин трубчатой формы и двух поперечных балок: внутренней и наружной.
«Краткое описание чертежей»
На Фиг. 1 представлена высокоскоростная тележка для рельсового экипажа с пневморессорами в третьей ступени рессорного подвешивания: а - общий вид; б - вид сверху.
На Фиг. 2 приведена характеристика композитной рессоры (а) и возвращающего устройства (б).
На Фиг. 3 представлена высокоскоростная тележка для рельсового экипажа с системой из пружин, гасителя и резинометаллического блока в третьей ступени рессорного подвешивания.
«Осуществление изобретения»
z
ст
p
ст
z
p
а
На Фиг. 1 изображена высокоскоростная тележка для рельсового экипажа с трехступенчатым рессорным подвешиванием, выполненная по первому варианту с двумя пневморессорами. Внутренние поперечные балки 5 рам тележек опираются на буксы 1 колесных пар 10 через две однолистовых композитных рессоры 2 и 3, передающих все вертикальные, поперечные и продольные силы между этими телами. Эти рессоры образуют первую ступень рессорного подвешивания. Поскольку верхние рессоры 3 короче нижних 2, вертикальные жесткости этих рессор различны и при ходе рамы тележки вниз (при увеличении деформации рессор Δ по сравнению со статической деформацией Δ) сила реакции рессор F увеличивается по линии ВС относительно статической силы тяжести F (Фиг. 2, ). При изменении знака деформации сила реакции скачком по линии CD перейдет в точку D и при дальнейшем уменьшении Δ сила F будет уменьшаться по линии DE. При новом изменении знака произойдет новый скачок по линии ЕА и дальнейшее увеличение будет происходить по линии ABC. Площадь петли ACDE характеризует величину энергии, рассеянной за период колебаний, что обеспечивает необходимый уровень демпфирования в первой ступени рессорного подвешивания и не требует применения специальных гасителей колебаний.
Наружные поперечные балки 9 рам тележек подвешены к кронштейну кузова (на Фиг. 1 кронштейн не показан) продольными тягами 11, выполненными из композитного материала, обеспечивающего необходимое соотношение между их продольными, поперечными и вертикальными жесткостями. Эти тяги передают продольные, поперечные и вертикальные силы между кузовом и рамами тележек и выполняют функцию второй ступени рессорного подвешивания. Они соединены с рамами тележек с помощью головок 19 вертикально расположенными валиками, обеспечивающими возможность угловых перемещений кузова и тележек при колебаниях виляния. С кронштейном кузова тяги соединены головками 12 с горизонтально расположенными валиками для обеспечения угловых перемещений при колебаниях галопирования кузова и тележек.
Для ограничения поперечных перемещений кузова относительно рам тележек, возникающих при колебаниях относа, виляния и боковой качки, предусмотрен ограничитель, выполненный с помощью двух рессорных листов 13, примыкающих к продольным тягам 11. Внутренние концы этих листов вместе с тягами зафиксированы в кронштейне 19, а наружные отогнуты от тяг и своими наконечниками 14 могут взаимодействовать с упорами 16, установленными на боковинах 6 рам тележек. При поперечных перемещениях рам после выбора зазора 5 между упором и наконечником рессоры, рессорный лист начнет прижиматься к продольной тяге. При этом свободная длина листа станет уменьшаться, и его поперечная жесткость начнет увеличиваться по закону кубической параболы (Фиг. 2, б). Такая нелинейная характеристика поперечной жесткости ограничителей способствует существенному снижению колебаний относа, виляния и боковой качки кузова и тележек и обеспечивает возможность получения высоких показателей динамических качеств экипажа.
Кроме того, во второй ступени подвешивания имеется гидравлический гаситель боковых колебаний 20, расположенный под углом к горизонтальной продольной оси тележки. Такое расположение обеспечивает возможность демпфирования как колебаний относа, так и колебаний виляния кузова и тележек. Тяговый электродвигатель 21 подвешен к поперечным балкам 5 и 9, а редуктор 8 может быть также подвешен к поперечным балкам (тяговая передача III класса) или может одним концом опираться на ось колесной пары (передача II класса). Внутренние концы двух одноосных тележек, образующих одну двухосную, соединяются между собой диагональными тягами 4, которые обеспечивают возможность перемещения одноосных тележек относительно друг друга, что позволяет им радиально устанавливаться в кривых участках пути.
Третью ступень рессорного подвешивания образуют две пневморессоры диафрагменного типа 7, расположенные юбками в разные стороны, через которые кузов опирается на буксы 1 каждой колесной пары. Демпфирование вертикальных колебаний происходит за счет рассеивания энергии при перетекании сжатого воздуха из пневморессор в дополнительный резервуар, размещенный в балках кузова по трубопроводу с калиброванным отверстием, диаметр которого выбирается в процессе оптимизации параметров рессорного подвешивания для заданной конструкционной скорости движения.
Симметрично расположенные комплекты пневморессор на каждой тележке соединены между собой поперечными соединительными тягами 18, которые крепятся к промежуточным опорам 15 пневморессор резинометаллическими сайлентблоками, что обеспечивает синхронность поперечных перемещений обоих комплектов пневморессор каждой тележки. В средней части на этих тягах выполнена проушина, к которой присоединены предохранительные тросы 17, обеспечивающие ограничение поперечных перемещений нижних пневморессор величиной 105 мм. После выбора этого зазора один из тросов натянется, ограничивая деформацию нижней рессоры, после чего начинает деформироваться верхняя пневморессора. Таким образом, обеспечивается суммарное поперечное перемещение такого рессорного комплекта на 210 мм.
а
На Фиг. 3 изображен второй вариант данной тележки, которая отличается схемой третьей ступени рессорного подвешивания, в которой две пневморессоры диафрагменного типа (7 на Фиг. 1) заменены системой, состоящей из двух основных пружин 7, гидравлического гасителя 7с, вспомогательной пружины 7b и резинометаллического блока 7d, прикрепленного нижним основанием к промежуточным опорам 15, а верхним - к кузову.
Проведенные расчеты показали, что предлагаемая тележка с оптимизированными параметрами рессорного подвешивания обеспечивает возможность эксплуатации в диапазоне скоростей до 120 м/с (432 км/ч) и прохождение железнодорожных кривых на скоростях, больших на 25%, чем экипажи на типовых двухосных тележках.