НАРУЖНАЯ ПОДКЛИНОВАЯ ПРУЖИНА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к деталям рельсовых транспортных средств и может использоваться при проектировании и изготовлении тележек грузовых вагонов с пружинными амортизаторами.
Из источника информации «Обзор рынка пружин для тележек грузовых вагонов в СНГ. Исследовательская группа ИнфоМайн, М., 04.2009» известно, что в Российской Федерации, странах СНГ и Балтии современные тележки грузовых вагонов (модели 18-100, 18-101 (не распространена), 18-578, перспективные модели 18-9855, 18-9810,18-194-1, 18-9836) комплектуются рессорным подвешиванием, состоящим из двух комплектов, размещаемых в рессорных проемах левой и правой боковых рам. В каждый комплект входит пять, шесть, семь или девять двухрядных цилиндрических пружин и два клиновых фрикционных гасителя колебаний. Каждая двухрядная пружина состоит из наружной и внутренней пружин, имеющих разную навивку - правую и левую соответственно. Количество двухрядных пружин в комплекте зависит от грузоподъемности вагона. Пять пружин ставят в тележки, подкатываемые под кузова вагонов грузоподъемностью до 50 т, шесть - до 60 т и семь - более 60 т. В связи с этим и расположение пружин в комплекте будет разное. Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. Снизу клинья имеют кольцевые выступы, не допускающие смещения их относительно пружин в горизонтальной плоскости, а верхней своей частью входят в направляющие надрессорной балки.
Технические параметры пружин, технология изготовления и материал определены соответствующими гостами: ГОСТ 1452-2011 «Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия», ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия». Для изготовления пружин рессорного подвешивания тележек грузовых вагонов используется прокат круглого сечения диаметром более 10 мм рессорно-пружинной легированной стали марок 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА. Пружины после термообработки должны иметь твердость от 375 до 444 НВ (40-46,5 HRC). Для ударно-тяговых приборов пружины должны иметь твердость 42-49 HRC.
В некоторых конструкциях двухрядных пружин (например, в тележках 18-578, 18-194) наружные пружины рессорного комплекта выше внутренних, благодаря чему жесткость подвешивания у порожнего вагона в 3 раза меньше, чем у груженого. Патентом RU 16482, 01.10.2001 «ТЕЛЕЖКА ГРУЗОВОГО ВАГОНА (ВАРИАНТЫ)» предлагается тележка грузового вагона, содержащая раму, опирающуюся на буксовые узлы колесных пар, включающую в себя боковины, воспринимающие нагрузку от надрессорной балки и фрикционных клиньев посредством двухрядных пружин, состоящих из наружной и внутренней пружин, причем двухрядные пружины, воспринимающие нагрузку от надрессорной балки, выполнены с разной высотой наружной и внутренней пружин, а двухрядные пружины, воспринимающие нагрузку от фрикционных клиньев, выполнены равными по высоте большей из пружин, воспринимающих нагрузку от надрессорной балки.
В названном техническом решении тележки грузового вагона применен рессорный комплект двухрядных пружин, состоящих из наружной и внутренней пружин; двухрядные пружины, воспринимающие нагрузку от надрессорной балки, выполнены с разной высотой наружной и внутренней пружин, а двухрядные пружины, воспринимающие нагрузку от фрикционных клиньев, выполнены равными по высоте большей из пружин, воспринимающих нагрузку от надрессорной балки.
Рессорный комплект обеспечивает уменьшенную жесткость пружин подвешивания под весом порожних и малозагруженных вагонов и снижение действующих ускорений. Недостатком рессорного комплекта пружин является недостаточный запас прогиба расположенной под клином пружины на ее износ без потери подвешиванием демпфирующей способности, который определяется занижением клина относительно надрессорной балки при одинаковой высоте подклиновой пружины и самой высокой пружины под надрессорной балкой. Также не решен вопрос повышения сопротивления подвешивания «забеганию» боковых рам и увеличения долговечности колес тележек грузовых вагонов. Задачей полезной модели является разработка пружинного комплекта для подвешивания тележки грузового железнодорожного вагона, обеспечивающего порожнему и груженому вагону близкие ходовые качества.
Известен пружинный комплект тележки грузовых железнодорожных вагонов, включающий девять симметрично расположенных двухрядных наружных и внутренних витых цилиндрических пружин, на две из которых опираются фрикционные клинья, а семь пружин расположены под надрессорной балкой, при этом комплект имеет внутренние пружины под фрикционными клиньями, наружные пружины под фрикционными клиньями, внутренние пружины под надрессорной балкой, наружные пружины под надрессорной балкой, выполненные в порядке убывания высоты. Пружины комплекта при сжатии до смыкания витков имеют одинаковую высоту. Наружная пружина под фрикционным клином может быть короче внутренней на 5 мм, а внутренняя под надрессорной балкой короче на 10 мм, наружная пружина под надрессорной балкой может быть короче внутренней на 35 мм. Диаметры прутков могут составлять 14 мм для внутренних пружин под фрикционными клиньями, 22 мм для наружных пружин под фрикционными клиньями, 14 мм для внутренних пружин под надрессорной балкой, 25 мм для наружных пружин под надрессорной балкой. Рабочее число витков может составлять 10,86 для внутренних пружин под фрикционными клиньями, 6,55 для наружных пружин под фрикционными клиньями, 10,86 для внутренних пружин под надрессорной балкой и 5,64 для наружных пружин под надрессорной балкой (Патент RU 101986 U1, 10.06.2011 «ПРУЖИННЫЙ КОМПЛЕКТ ДЛЯ ПОДВЕШИВАНИЯ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА»).
Известно центральное рессорное подвешивание тележки грузового вагона, состоящее из двух фрикционных гасителей колебаний, каждый из которых включает в себя клин, двухрядную поддерживающую клин пружину, стальную фрикционную планку, закрепленную на вертикальной колонне боковой рамы, и наклонную поверхность кармана надрессорной балки, в котором размещен клин, пять и более, в зависимости от грузоподъемности вагона, двухрядных пружин, или их комбинации, поддерживающих оба конца надрессорной балки, отличающееся тем, что двухрядные пружины, поддерживающие клин фрикционного гасителя колебаний, выполнены с разницей высот, которая определяется величиной расчетного статического прогиба центрального рессорного подвешивания под тарой вагона и динамической добавкой к статическому прогибу, вызванной колебаниями рессорного комплекта при движении порожнего вагона, при этом большая по величине пружина предварительно, до включения в работу пружин, поддерживающих надрессорную балку, сжата для обеспечения расчетного значения коэффициентов относительного трения во фрикционном гасителе колебаний на порожнем и груженом вагоне (Патент RU 76880, 10.10.2008 «ЦЕНТРАЛЬНОЕ РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА»).
Вышеописанные пружины не в полной мере отвечают возрастающим требованиям к несущей способности пружин тележек грузовых вагонов. Это связано с тем, что в случае сжатия пружины, имеющей стандартную высоту H-249 мм (для стандартных тележек) до высоты H1=201 мм требуется усилие F1=19,58 кН, при сжатии этой пружины до высоты H2=157 мм требуется усилие F2=37,49 кН. В связи с указанными требованиями возникла необходимость повышения значений F1, F2 и H2 и уменьшение значения H1, которые в большей мере отвечают улучшению несущих параметров пружины.
Техническим результатом полезной модели является повышение несущей способности пружины.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в повышении несущей способности пружины.
Решение поставленной задачи достигается путем исполнения наружной подклиновой пружины тележки грузового вагона, содержащей рабочие и опорные витки, выполненные по спирали из стального круглого прутка, каждый указанный опорный виток имеет сужающийся (в частности, конусообразный) конец и торец, образующий опорную поверхность конца пружины, отношение диаметра d прутка пружины к ее наружному диаметру Dнар выбрано в пределах d/Dнар=0,15, причем в проектном положении пружины между ее каждым опорным витком и поджатым к нему смежным рабочим витком зазор Ζ выбран в пределах Z=(0,01-0,05)h, где h - расстояние между торцом опорного витка и высотой расположения сужающегося (конусообразного) конца опорного витка, равное h=(0,3-0,5)d, пределы числовых параметров пружины выбраны при условии, что число рабочих витков пружины n=3,42, суммарное число витков пружины n1=4,92, Dвн=138,2-142,8 мм, высота пружины в свободном состоянии Hсв=246-254 мм, при этом пруток пружины выполнен из стали 60С2ХФА-Д-3Б или из стали 51CrV4 при твердости поверхности каждого витка пружины после ее термической обработки в пределах 375-444 НВ.
На фиг. 1 показана наружная подклиновая пружина тележки грузового вагона в вертикальном положении. Пружина выполнена из стального круглого в сечении прутка путем спиральной навивки прутка. Навивка прутка образует рабочие витки 1 и опорные витки 2 и 3 пружины. Каждый указанный опорный виток имеет сужающийся (например, конусообразный) конец 4 и торец 5, образующий опорную поверхность конца пружины. В проектном, свободном положении, пружина имеет высоту Hсв, которая при работе пружины изменяется в зависимости от усилия F сжатия пружины. Между каждым опорным витком и поджатым к нему смежным рабочим витком 1 выбран зазор Ζ в пределах Z=(0,01-0,05)h, где h - расстояние между торцом 5 опорного витка и высотой расположения сужающегося (например, конусообразного) конца 4 опорного витка, при этом h выбрана в пределах h=(0,3-0,5)d, где d - диаметр поперечного сечения прутка пружины. Расстояние h определено как расстояние между опорной поверхностью торца 5 опорного витка и крайней точкой 6 сужающегося конца 4 опорного витка. Указанные пределы числовых параметров пружины выбраны при условии, что число n рабочих витков пружины выбрано равным п=3,42, суммарное число витков n1 выбрано равным n1=4,92, d=30 мм, Dнар=200 мм, внутренний диаметр пружины выбран в пределах Dвн=138,2-142,8 мм, высота пружины в свободном состоянии выбрана в пределах Hсв=246-254. Оптимальное значение числа рабочих витков пружины выбрано в пределах nmin=3,4 и nmax=3,44, а оптимальное значение nl=4,92 выбрано в пределах n1min=3,8 и n1max=4,98, при этом пределы значений установлены опытным путем.
Наружная подклиновая пружина работает вместе с другими пружинами подвески тележки. Пружины тележки воспринимают статическую и динамические нагрузки, возникающие при движении тележки. Все наружные подклиновые пружины при их работе испытывает знакопеременные вертикальные, горизонтальные и изгибающие нагрузки.
Благодаря выбранным пределам числовых значений параметров пружины указанные нагрузки воспринимаются каждой наружной подклиновой пружиной в тяжелых режимах ее нагружения. Пружина работает наиболее эффективно в условиях ускорения и торможения нагруженной тележки, при этом уменьшен статический прогиб подвески тележки за счет повышения несущей способности при сжатии пружины свыше указанного значения H2. Жесткость подвески тележки повышена, что влияет на соотношение массы порожнего вагона к жесткости подвешивания и груженого вагона к жесткости подвешивания и, по сути, сближает ходовые качества тележки в указанных режимах движения. В результате повышения несущей способности тележки обеспечена возможность уменьшения ударных нагрузок на тележке, что позволяет уменьшить износ элементов тележки. Жесткость пружины в зоне ее сжатия до вышеуказанного значения H2 уменьшает возможность забегания боковых рам на поворотах пути, что положительно влияет на уменьшение износа гребней колес тележки.