Торсионный узел стабилизатора бокового наклона кузова вагона
TORSION UNIT OF THE LATERAL TILT STABILIZER OF THE CAR BODY

Настоящее изобретение относится к области транспортного машиностроения (преимущественно к подвижному составу на железной дороге), конкретно - к стабилизаторам бокового (поперечного) наклона железнодорожных, главным образом пассажирских, вагонов (в том числе двухэтажных, характеризующихся большей массой и более высоким расположением центра масс).
Известны торсионные стабилизаторы в составе колесных тележек трамваев и железнодорожных подвижных составов с одним торсионным устройством в системе вторичного подрессоривания, причем торсионный вал (торсион) располагается вдоль надрессорной балки, подвижно соединен с продольными балками рамы те лежки, а с помощью двух рычажных систем - с надрессорной балкой, так что при наклоне кузова (а значит, и надрессорной балки) в поперечном по отношению к направлению тележки направлении сила упругого противодействия, возникающая в торсионе, стремится вернуть надрессорную балку (и кузов) в исходное положение [1. RU 2220863 С2, B61F 5/00, 10.01.2004, ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA)]. В этом стабилизаторе торсион, посредством подшипниковых (ради- альные подшипники скольжения) опор, соединяется с продольными балками те- лежки. К торсионному валу жесткой связью, предпочтительно прессовой посадкой со шпонкой, прикреплены две рычажные системы. Шарнирно прикрепленные к рычагам тяги (подвески) связаны с надрессорной балкой.
С некоторой модернизацией подобная система запатентована тем же предприятием позднее [2. RU 2376181 С2, B61F 5/00, 10.08.2009, ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA)]. Отличие состоит в том, что на подрессоренной раме тележки вдоль продольной оси надрессорной балки с двух сторон расположено по торсионному валу (торсиону) с жестко закрепленными к продольным балкам концами кососимметрично относительно поперечной оси тележки, а к другим концам торсионных валов, вставленным в шарнирные опоры, также кососимметрично относительно поперечной оси тележки жестко присоединены приводные рычаги, шарнирно связанные через стержни с концевыми частями надрессорной балки, при этом стержни одной стороной соединяются с рычагами через выполненные в них продольные пазы, а другой стороной шарнирно присоединены к концевым частям надрессорной балки.
К недостаткам таких торсионных стабилизаторов следует отнести неудобство проведения техобслуживания и ремонтов (ТОиР), которые приходится проводить из-под вагона или после демонтажа тележки, а также недостаточно высокие показатели работоспособности цилиндрических подшипников скольжения опоры торсионного вала (торсионных валов) и шарнирных узлов.
Мало чем отличается от описанных аналогов и зарубежный торсионный стабилизатор, описанный в источнике [3. Solutions. - URL: https://www.ferrabyme.co.uk/solutions/ (дата выкладки 25.02.2020)].
В машиностроении известны также:
- клеммовые соединения рычагов с валом [4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Том 2. Изд. 5-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - С. 516-517, рис. 9];
- врезные винты с коническим или цилиндрическим концом для фиксации углового положения деталей на валу [5. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 3. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 60-61, рис. 129 X; рис. 134 III, V)];
- призонные болты, в том числе конические, и, соответственно, болтовые установочные соединения для передачи крутящего момента, например, с вала на насадную деталь (См. источник [5], с. 75-77, рис. 168 I-IV)), что представляет интерес с позиций предмета заявляемого изобретения.
Однако заявителем не обнаружены такие соединения в приложении к подвижному силовому узлу с хвостовиком (головкой) торсионного вала (в том числе торсионному стабилизатору подвижного состава), во всяком случае, в их комбинации.
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является торсионный узел стабилизатора бокового наклона кузова вагона (в составе тележки рельсового двухэтажного пассажирского транспортного средства), содержащий установленный на раме тележки поперечно ее продольной оси симметрии, посредством двух разнесенных подшипниковых опор, торсионный вал, концы которого соединены с кузовом левым и правым рычагами и тягами («подвесками») [6. RU 2688453 С2, B61F 5/02, 17.01.2019].
В нем торсионный вал установлен на подшипниках скольжения (бронзовые втулки).
Однако, при всех своих положительных качествах, прототип еще недостаточно совершенен, ограничен в своих технико-эксплуатационных возможностях и характеристиках:
во-первых, возможность проводить ТОиР (в том числе сервисный осмотр, инспекции 1…6 и ревизии 1…4) из-под вагона или после демонтажа колесной тележки;
во-вторых, повышенный износ цилиндрических подшипников скольжения (втулок) и препятствие с их стороны из-за осевой фиксации (торможение смежности) естественному укорачиванию торсионного вала и его перекосу (по кусочному полиному в соответствии с упругой линией торсионного вала) при его рабочей закрутке;
в-третьих, недостаточный (из опыта эксплуатации) срок службы упомянутых шарнирных узлов и узлов взаимосвязи концов торсионного вала и рычагов;
в-четвертых, места соединения рычагов и торсионного вала смещены от концов последнего в связи с организацией подшипников (скольжения) торсионного вала на его концах. Это существенно уменьшает рабочую длину (закручиваемый участок) торсионного вала при той же общей его длине, а значит нерационально.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение (устройство), - разработать (спроектировать) торсионный стабилизатор с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (ТЭХ).
Планируемый технический результат использования - улучшение ТЭХ торсионного узла стабилизатора за счет (на примере железнодорожного вагона): возможности проведения ТОиР сбоку вагона и увеличения надежности; средней наработки на отказ; полного срока службы и гарантийного срока эксплуатации.
При соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в торсионном узле стабилизатора бокового наклона кузова вагона, содержащем установленный на раме тележки поперечно ее продольной оси симметрии в пространстве, посредством двух разнесенных подшипниковых опор, торсионный вал, концы которого соединены с кузовом левым и правым рычагами и тягами, согласно заявляемому изобретению, подшипники опор торсионного вала выполнены сферическими и установлены враспор с возможностью компенсации перекоса при его закрутке, конец торсионного вала выполнен цилиндрическим, а его соединение с рычагом - комбинированным клеммово-болтовым, с параллельным использованием основного клеммового соединения и дополнительного соединения в виде врезных болтов / винтов с коническими фиксирующими концами, установленных радиально на резьбе в ступице рычага и входящих в глухие радиальные гладкие отверстия в теле конца торсионного вала с возможностью передачи крутящего момента от рычага к концу торсионного вала.
На решение поставленной задачи направлены и частные совокупности существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно:
- в болтовом / винтовом врезном соединении ступицы рычага с концом торсионного вала могут быть использованы болты со снятой на конце на конус резьбой, с возможностью смятия резьбы на коническом участке при заворачивании в упомянутые глухие отверстия в конце торсионного вала (это - рациональное, относительно простое и экономически выгодное техническое решение при сохранении высокой надежности угловой фиксации в соединении);
- в болтовом врезном соединении ступицы рычага с концом торсионного вала могут быть использованы призонные болты, фиксирующие конические концы которых соответствуют профилю упомянутых глухих отверстий в конце торсионного вала (это - альтернативный частный случай по отношению к предыдущему, расширяющий возможности выбора приемлемого для конкретного производителя и особенностей доступных для производителя комплектующих);
- в болтовом врезном соединении ступицы рычага с концом торсионного вала могут быть использованы пары врезных болтов / винтов с оппозитным их расположением, то есть с угловым смещением друг от друга в 180° (это позволяет уменьшить ширину ступиц рычагов и длину концов торсионного вала, а также повысить надежность врезного болтового / винтового соединения в целом);
- в торсионном узле может быть предусмотрен защитный кожух торсиона, зафиксированный хомутами, с возможностью защиты последнего от механических повреждений (это внесет дополнительную лепту в достижение положительного технического результата использования заявляемого изобретения при относительно небольшом увеличении геометрических размеров и массы устройства, трудозатрат монтажно-демонтажных работ и стоимости изделия);
- рычаги могут быть связаны с концами торсионного вала, а подшипниковые опоры последнего - смещены к его центру на ширину рычагов (это увеличивает длину рабочего, закручиваемого участка торсионного вала при той же общей его длине).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства первого квалификационного признака - «мировой уровень новизны».
Совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает из огромного мирового опыта вагоностроения, наличия успешно испытанного авторами экспериментального образца устройства, а также приведенного далее по тексту фрагмента перечня покупных основных комплектующих устройства, производство которых промышленно освоено.
Подробнее сущность изобретения (на примере железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-6:
на фиг. 1 представлено 3D-изображение компьютерной модели колесной тележки с торсионным стабилизатором (ТС), общий вид, где позициями обозначены: 1 - рама колесной тележки вагона; 2, 3 - подшипниковые опоры торсионного вала; 10 - рычаг; 12 - тяга; 25 - защитный кожух торсионного вала;
на фиг. 2 - 3D-изображение компьютерной модели ТС, где тяги подвески показаны обобщенно (условной конструкции) и дополнительно введены позиции: 4, 5 - радиальные сферические подшипники опор 2, 3; 6 - торсионный вал (торсион); 7, 8- концы вала 6; 9-рычаг; 11 - тяга; 13, 14 и 15- врезные болты / винты; 21, 22 и 23, 24 - клеммовые болты / винты (для стяжки половин клеммы);
на фиг. 3 - чертеж ТС, вид сбоку с местным продольным разрезом по рычагу через конец торсионного вала, где дополнительно введены позиции: 8 - конец торсионного вала; 16 - врезной болт / винт; 18,19, 20 - глухие радиальные отверстия в концах торсионного вала;
на фиг. 4 - болт / винт взаимосвязи конца торсионного вала и ступицы рычага, вид сбоку, где дополнительно введены позиции: 14 - врезной болт / винт;
на фиг. 5 - торсионный вал на подшипниковых опорах, вид сверху (в плане), где дополнительно введены позиции: 8 - конец торсионного вала; 17 - глухое радиальное отверстие в конце торсионного вала;
на фиг. 6 - подшипниковая опора торсионного вала, продольный разрез, где дополнительно введены позиции:
4, 5 - сферические подшипники опор торсионного вала.
Торсионный узел стабилизатора бокового наклона кузова вагона (в данном примере) содержит установленный на раме 1 тележки (ходовой части) (см. фиг. 1) поперечно ее продольной оси симметрии в пространстве (здесь - между ее поперечными балками), посредством двух разнесенных подшипниковых опор 2 и 3 с подшипниками 4 и 5 соответственно, торсионный вал (торсион) 6 (см. фиг. 5, 6). Концы 7 и 8 вала 6 соединены с кузовом бортовыми (левым и правым) рычагами 9, 10 и тягами 11,12 (см. фиг. 1-3). Это сделано в обеспечение передачи на него крутящих моментов, обусловленных динамическими силами от колеблющегося в поперечной плоскости кузова.
Подшипники 4, 5 опор 2, 3 торсионного вала 6 выполнены сферическими и установлены враспор, с возможностью компенсации перекоса при его (6) закрутке (см. фиг. 6).
Каждый конец 7, 8 торсионного вала 6 выполнен цилиндрическим (см. фиг. 5), а его (7, 8) соединение с рычагом 9, 10 соответственно - комбинированным клеммово-болтовым, с параллельным использованием основного клеммового соединения и дополнительного («врезного») соединения в виде врезных болтов / винтов 13, 14 и 15, 16 с коническими фиксирующими концами, установленных радиально на резьбе в ступице рычага 9, 10 (выступающей в таком соединении «оправкой) и входящих в глухие радиальные гладкие отверстия 17, 18 и 19, 20 в теле конца 7, 8 торсионного вала 6 с возможностью передачи крутящего момента от рычага 9, 10 к концу 7, 8 соответственно (см. фиг. 3, 4).
Упомянутое основное клеммовое соединение представляет собой охватывающие половины ступицы рычага 9, 10 с клеммами, стянутыми двумя клеммовыми болтами / винтами 21, 22 и 23, 24 (см. фиг. 2, 3). Причем с достаточным от проворота трением между внутренними поверхностями половин ступицы рычага 9, 10 и цилиндрической поверхностью конца 7, 8 торсионного вала 6 (с 20%-ым запасом).
Далее - подробности упомянутого дополнительного (функционально - подстраховочного) соединения рычага 9, 10 с концом 7, 8 торсионного вала 6.
По первому частному случаю (примеру), в болтовом / винтовом врезном соединении ступицы рычага 9, 10 с концом 7, 8 вала 6 могут быть использованы болты / винты 13, 14 и 15, 16 со снятой на их конце на конус резьбой, с возможностью смятия резьбы на коническом участке при заворачивании в ранее упомянутые глухие гладкие отверстия 17, 18 и 19, 20 в хвостовике 7, 8 (синонимы: «ответные отверстия-гнезда», «выборки», «круглые пазы»). Такое техническое решение проиллюстрировано фиг. 3, 4.
По второму (альтернативному) частному случаю (примеру), в болтовом / винтовом врезном соединении ступицы рычага 9, 10 с концом 7, 8 вала 6 могут быть использованы призонные болты 13, 14 и 15, 16, фиксирующие конические концы которых соответствуют профилю глухих отверстий 17, 18 и 19, 20 в конце 7, 8 вала 6 (тоже на конус). Такое техническое решение не проиллюстрировано укрупненным видом фрагмента с «призонным» взаимодействием ввиду достаточности словесного описания для инженеров.
В болтовом врезном соединении ступицы рычага 9, 10 с концом 7, 8 торсионного вала 6 могут быть использованы пары врезных болтов / винтов 13, 14 и 15, 16 с оппозитным их расположением, то есть с угловым смещением друг от друга в 180° (см. фиг. 3).
В противном случае болты / винты 13, 14 и 15, 16 устанавливают не оппозитно, а в ряд, преимущественно, вверху (как и болты / винты 21, 22 и 23, 24).
Клеммово-болтовое / винтовое соединение рассчитано на способность клеммового и болтового / винтового соединений по отдельности выдерживать всю нагрузку самостоятельно.
Рычаги 9, 10 могут быть связаны с концами торсионного вала 6, а подшипниковые опоры 2, 3 последнего - смещены к его центру на ширину рычагов 9, 10.
Может быть предусмотрен защитный кожух 25 торсионного вала 6, зафиксированный хомутами, с возможностью защиты последнего (6) от механических повреждений (см. фиг. 1, 2, 5).
Пример реализации стабилизатора использует конкретные, освоенные промышленностью современные комплектующие (что дополнительно убеждает в выполнении патентоведческого критерия изобретения «промышленная применимость»), в частности стандартные изделия: болты (винты), гайки, шайбы, шплинты, масленки, пробки конические (по соответствующим ГОСТам), подшипники радиальные сферические GE60 ES (С3). Оригинальные детали (6, 9, 10 и др.) в производстве не требуют каких-либо несуществующих технологий.
Заявляемый стабилизатор работает следующим образом.
При боковых наклонах кузова торсионный вал 6 упруго закручивается и создает усилие на рычагах 9, 10, препятствующее этому боковому наклону и стремящееся вернуть кузов в исходное положение. В случае бокового смещения (относа) кузова осуществляется упругий наклон в сторону, противоположную относу. Этот эффект возникает за счет наличия угла наклона тяг 11, 12 к вертикали и взаимного смещения и закручивания рычагов 9, 10 с валом 6. При этом на рычагах 9, 10 возникают разнонаправленные усилия, которые через тяги 11, 12 действуют на кузов и наклоняют его в противоположную сторону относа. Суммарная сила этих двух сил стремится вернуть кузов (а значит и вагон) в положение равновесия.
Однако под углом зрения заявляемого изобретения, особый интерес представляют следующие физические процессы (эффекты):
Во-первых, визуальный контроль состояния тяг 11, 12 и ряда др. компонентов узла, а также ряд монтажно-демонтажных работ проводят не снизу, а сбоку кузова.
Во-вторых, в сферических подшипниках 4, 5 опор 2, 3 торсионного вала 6 происходит (за счет зазоров и сферичности) компенсация изгибу его (6) упругой линии. А значит - растормаживается смежность, предотвращается повышенный износ подшипниковых опор 2. 3.
В-третьих, характер взаимосвязи концов 7, 8 торсионного вала 6 с рычагами 9, 10 (точнее - с их ступицами) с использованием комбинированного клеммово-болтового соединения, суть - двух дублирующих (дополняющих) друг друга взаимосвязей, фиксирующих от проворота рычага на конце торсионного вала 6 обеспечивает безударную, надежную передачу крутящих моментов от рычагов 9, 10 к концам 7, 8 торсионного вала 6. И как следствие - снижение перекосов, деформаций и износа. Особенно при двух диаметрально установленных болтах / винтах 13, 14 и 15, 16 (по причине симметрии крепежной схемы, более равномерного распределения напряжений в этом узле - см. фиг. 3, 4).
В первом примере такого врезного соединения, в финале закрутки болтов / винтов 13, 14 и 15, 16 участки резьбы, сходящей на конус, сминаются, обеспечивая плотное соединение (что и было заложено в конструкцию и о чем уже говорилось выше).
Во втором примере (с призонными болтами 13, 14 и 15, 16), плотное соединение обеспечивается «призонными» участками.
В любом из этих двух конструктивных исполнений, в случае неудержания крутящего момента основным соединением - клеммовым, срабатывает описанное врезное болтовое / винтовое (отсюда его характеристика как «параллельного», «подстраховочного»).
Кожух 25 защищает торсионный вал 6 от деструктивных воздействий извне (в основном, снизу), в соответствии с опытом эксплуатации подвижных составов и определением «защитный».
В случае вертикальных колебаний кузова (колебаний галопирования или подскока) торсионный вал 6 стабилизатора свободно, сонаправленно вращается в подшипниках 4, 5 (а подвеска - в своих) и устройство как стабилизатор в работе ходовых частей вагона (тележек) не участвует - торсионный вал 6 не закручивается.
Таким образом, предложено техническое решение, решающее поставленную задачу. Использование такого стабилизатора позволит улучшить ТЭХ его и торсионного стабилизатора в целом (на примере железнодорожного вагона) за счет:
- возможности проведения ТОиР сбоку вагона (состояние тяг видно);
- увеличения надежности (с прогнозом до 1 млн. нагружений при максимальной нагрузке и максимальном угле закрутки торсионного вала, в приведенном частном примере речь идет о 10°) благодаря снижению износа как в подшипниковых опорах торсионного вала, так и узла взаимосвязи хвостовиков торсионного вала и рычагов;
- увеличения средней наработки на отказ (с прогнозом не менее 1200000 км пробега вагона и по причинам, сформулированным в предыдущем абзаце);
- достижения назначенного полного срока службы (с прогнозом не менее 16 лет и гарантийного срока эксплуатации не менее 8 лет или 2400000 км пробега вагона, также по названным причинам).
Причем все это - при соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.