ЦЕЛЬНОКАТАНОЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ДИСКОВЫМИ ТОРМОЗАМИ
ONE-PIECE ROLLED WHEEL FOR DISK BRAKES

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к конструкции цельнокатаных железнодорожных колес с посадочными местами под крепление дисковых тормозов для использования на рельсовых транспортных средствах.
Известно множество конструкций цельнокатаных колес, основными конструктивными элементами которых являются обод, ступица и диск. Получившие широкое распространение на сетях отечественных железных дорог стандартные конструкции цельнокатаных колес по ГОСТ 10791 спроектированы с учетом эксплуатации под грузовыми и пассажирскими тележками, использующих систему торможения фрикционной колодкой о поверхность катания колеса или дисковые тормоза, монтируемые на ось колесной пары. Особенности формы диска описанных типоразмеров колес, во многом определяющие массу колеса, его жесткость, несущую способность, стойкость к воздействию тепловых нагрузок, описаны в патентах RU 2428319, UA 78957, RU 2259279 и др., где имеет место смещение ступицы колеса относительно обода вдоль оси вращения в сторону внутренней поверхности.
Использование системы торможения, предусматривающей установку тормозных элементов непосредственно на диск колеса согласно изобретению RU 2493017, требует учета дополнительных функциональных особенностей при оптимизации геометрии сечения диска колеса, имеющего специальные посадочные поверхности и отверстия под монтаж дисковых тормозов. В рассматриваемом случае обычно имеет место симметричная относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения, форма диска, при этом ступица колеса часто расположена без смещений относительно обода.
Известно изобретение согласно заявке DE 4444077 А1, где диск колеса имеет симметричную относительно плоскости круга катания форму. Недостатком данного технического решения является линейное увеличение толщины диска к месту сопряжения с ободом и ступицей, что не позволяет подобрать оптимальное соотношение массы и прочности конструкции, а отсутствие описания поверхностей диска под установку тормозных элементов обуславливает ограниченное применение формулы для описания конструкции колеса рассматриваемого назначения.
Схожее предыдущему техническое решение в части описания геометрии диска колеса и зоны его сопряжения со ступицей и ободом путем выбора оптимального угла касательных, определяющих геометрию радиального сечения диска, ступицы и обода, сопрягаемых радиусным участком, предложено в заявке на изобретение DE 102011121785 А1, применительно к конструкции локомотивных колес с дисковыми тормозами, которое выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. Преимуществом описанной конструкции колеса является оптимальный выбор значений углов касательных с учетом наличия специальных площадок под установку дисковых торомзов. Несмотря на это, линейное увеличение толщины диска к месту сопряжений с ободом и ступицей, а также отсутствие рекомендуемых значений распределения его толщины, описания геометрии посадочных мест под установку тормозных элементов, не позволяет в полной мере получить комплексное конструктивное решение.
Техническим результатом, на достижение которого направлено созданное изобретение, является выбор оптимальной формы диска колеса, которая способна обеспечить высокий запас сопротивления усталости конструкции с учетом возможности использования в сборе с дисковыми тормозами.
Технический результат достигается тем, что железнодорожное колесо включает в себя обод, состоящий из поверхности катания, гребня и боковых поверхностей, ограниченных внутренними диаметрами обода с наружной и внутренней сторон, ступицу и диск, образованные наружной и внутренней поверхностями, симметричными относительно теоретической средней линии поперечного профиля диска, перпендикулярной оси вращения колеса. Указанная теоретическая средняя линия проходит через первую точку в месте минимальной толщины диска и его сопряжения с ободом, вторую и третью точку, между которыми расположена часть диска постоянной толщины с посадочными поверхностями и отверстиями под установку дисковых тормозов, четвертую точку в месте минимальной толщины диска со стороны ступицы и пятую точку в месте сопряжения со ступицей.
Принципиальным отличием предлагаемой конструкции колес является следующее. За счет того, что теоретическая средняя линия поперечного профиля диска расположена на расстоянии от 0,45 до 0,55 ширины обода от его боковых поверхностей, внутренний диаметр обода с внутренней стороны составляет от 1,00 до 1,03 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, диаметр, где расположена вторая точка средней линии, составляет от 0,93 до 0,94 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, диаметр, где расположена третья точка средней линии, составляет от 0,62 до 0,64 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, а диаметр ступицы с наружной и внутренней сторон составляет от 0,32 до 0,34 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, при этом поперечный профиль поверхности диска с наружной и внутренней сторон на участке теоретической средней линии, проходящей между первой и второй точками, описан кривыми с радиусом от 0,42 до 0,43 толщины диска в сечении, проходящем через вторую точку перпендикулярно средней линии в месте крепления дисковых тормозов, на участке между второй и третьей точками отрезками, параллельными средней линии, на участке между третьей и четвертой точками кривыми с радиусом от 0,55 до 0,60 указанной толщины диска, а на участке между четвертой и пятой точками кривыми с радиусом от 11,0 до 12,0 указанной толщины диска, сопрягаемыми со ступицей кривыми радиусом от 0,9 до 1,2 указанной толщины диска, причем толщина диска в сечениях, проходящих через первую и четвертую точки перпендикулярно средней линии, соответствует от 0,91 до 0,92 указанной толщины диска в месте крепления тормозных элементов, а толщина диска в месте сопряжения со ступицей в сечении, проходящем через пятую точку, соответствует от 1,35 до 1,45 указанной толщины, достигается обеспечение высокой усталостной прочности диска колеса рассматриваемого назначения с уровнем конструкционной массы на 5-10% ниже аналогов.
Сущность изобретения поясняется чертежом,
где на фиг. 1 представлено радиальное сечение железнодорожного колеса.
Железнодорожное колесо, изображенное на фиг. 1, которое включает в себя обод 1, состоящий из поверхности катания 2, гребня 3 и боковых поверхностей 4, ограниченных внутренними диаметрами обода D1 и D2 с наружной и внутренней сторон соответственно, ступицу 5 и диск 6, образованные наружной 7 и внутренней 8 поверхностями, симметричными относительно теоретической средней линии 9 поперечного профиля диска 6. Указанная средняя линия 9 перпендикулярна оси вращения колеса 10 и проходит через первую точку А в месте минимальной толщины диска 6 и его сопряжения с ободом 1, вторую В и третью С точки, между которыми расположена часть диска постоянной толщины с посадочными поверхностями и отверстиями 11 под установку тормозных дисков, четвертую точку D в месте минимальной толщины диска со стороны ступицы и пятую точку Е в месте сопряжения со ступицей 5.
Теоретическая средняя линия 9 поперечного профиля диска 6 расположена на расстоянии от 0,45 до 0,55 ширины обода Н от его боковых поверхностей 4, внутренний диаметр обода с внутренней стороны D2 составляет от 1,00 до 1,03 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, диаметр D3, где расположена вторая точка В средней линии 9, составляет от 0,93 до 0,94 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, диаметр D4, где расположена третья точка С средней линии 9, составляет от 0,62 до 0,64 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, а диаметр ступицы с наружной и внутренней сторон D5 составляет от 0,32 до 0,34 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1.
Поперечный профиль поверхности диска 6 с наружной и внутренней сторон на участке теоретической средней линии 9, проходящей между первой А и второй В точками, описан кривыми с радиусом R1 от 0,42 до 0,43 толщины диска Т1 в сечении, проходящем через вторую точку В перпендикулярно средней линии 9 в месте крепления дисковых тормозов, на участке между второй В и третьей С точками - отрезками, параллельными средней линии 9, на участке между третьей С и четвертной D точками - кривыми с радиусом R2 от 0,55 до 0,60 указанной толщины диска Т1, а на участке между четвертой D и пятой Е точками - кривыми с радиусом R3 от 11,0 до 12,0 указанной толщины диска Т1, сопрягаемыми со ступицей кривыми радиусом R4 от 0,9 до 1,2 указанной толщины диска Т1.
Толщина диска Т2 в сечениях, проходящих через первую А и четвертую D точки перпендикулярно средней линии 9, соответствует от 0,91 до 0,92 указанной толщины диска Т1 в месте крепления тормозных элементов, при этом толщина диска ТЗ в месте сопряжения со ступицей в сечении, проходящем через пятую точку Е, соответствует от 1,35 до 1,45 указанной толщины Т1.
Выбор отличительных особенностей конструкции согласно изобретению осуществлен с использованием серии конечно-элементных расчетов различных вариантов геометрии диска по методикам, описанным в стандартах ОСТ 32.83-97 и AAR S-669, которые позволяют определять коэффициенты запаса сопротивления усталости с учетом монтажных, технологических и эксплуатационных нагрузок, действующих на колесо.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом «Цельнокатаном железнодорожном колесе для использования с дисковыми тормозами», изложенных в формуле изобретения.
Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.
Предлагаемое изобретение может использоваться для моделей железнодорожных транспортных средств, на которых применяются дисковые тормоза, устанавливаемые непосредственно диски колес, в частности для электропоездов, ведущих транспортных средств и локомотивов, эксплуатируемых на сети российских железных дорог. Колесо согласно изобретению может быть изготовлено из стали любого качества, используемой в железнодорожной промышленности, и произведено в соответствии с известными техническими требованиями и стандартами, раскаткой, штамповкой или литьем.
Теоретические исследования и испытания железнодорожных колес с конфигурацией диска согласно заявленной формуле применительно к электропоездам с осевой нагрузкой до 23,5 тс для колес диаметром 957 мм на сети российских железных дорог показали соответствие всем требованиям безопасности и способность обеспечения оптимального уровня эксплуатационных характеристик колес при сохранении металлоемкости продукции на уровне стандартных вагонных колес по ГОСТ 10791. Этим доказывается достижение усматриваемого заявителем технического результата.