ТЕЛЕЖКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА С УСТРОЙСТВОМ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО НАКЛОНА КУЗОВА

Решение относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкциям тележек подвижного состава с устройством принудительного наклона кузова железнодорожного вагона и со следящей системой для автоматического управления ее движением в рельсовой колее.
Известна тележка железнодорожного вагона, содержащая раму с поперечными балками, связанные с рамой поводками колесные пары, центрально расположенный на раме электродвигатель, к остову которого крепится корпус тягового редуктора, передающего вращение от якоря электродвигателя к колесным парам посредством двух промежуточных и двух ведомых зубчатых колес и далее с помощью карданной муфты системы "Альстом". Такая конструкция тележки позволяет сократить колесную базу и массу тележки (Забродин Б.В. "Электроподвижной состав французских железных дорог". Изд-во транспорт, 1965 г., с.60-64) - аналог.
Недостатком известной тележки является то, что она не снабжена устройством принудительного наклона кузова, что вызывает повышенный износ гребней бандажей и рельсов, увеличивает сопротивление движению в прямых и кривых участках пути.
Известна тележка железнодорожного вагона, содержащая раму, элементы рессорного подвешивания, поперечную надрессорную балку и устройство принудительного наклона кузова (патент РФ №2331536, МПК B61F 5/22, опубл. 20.08.2007 г.) - прототип.
Недостатком известного решения является невысокая надежность и высокая сложность. Это связано с тем, что в нем принудительный наклон осуществляется за счет специального привода, расположенного между надрессорной балкой тележки и шкворневой балкой вагона. Основными недостатками механизмов подобного типа являются необходимость расположения между надрессорной балкой и кузовом силового привода, центрирующего устройства, наклонных качающихся тяг и т.д.; причем, максимальный угол крена кузова должен быть в этом случае, не менее 6…8°, и этот угол необходимо воспроизвести за время прохождения переходной кривой. Компоновка дополнительных механизмов в тележках требует существенного изменения их конструкции, кроме того, увеличивается вес тележки. Вышеуказанный угол крена обусловлен не только необходимостью компенсировать непогашенное ускорение, но и компенсировать прогиб пружин центрального подвешивания.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение надежности и долговечности тележки при одновременном упрощении и унификации конструкции, путем обеспечения гашения вертикальных колебаний на всех режимах движения, в том числе на прямых и кривых участках пути.
Указанный технический результат достигается тем, что в тележке железнодорожного вагона, содержащей раму, элементы рессорного подвешивания, поперечную надрессорную балку и устройство принудительного наклона кузова, устройство принудительного наклона кузова содержит исполнительный механизм наклона, гидравлическую и электронную системы управления, причем исполнительный механизм наклона выполнен в виде системы трубопроводов, гидропневматических аммортизаторов, установленных попарно с обеих сторон тележки на кронштейнах надрессорной балки, и гидроцилиндров, надпоршневые и штоковые полости которых соединены с гидропневматическими амортизаторами, гидравлическая система управления исполнительного механизма наклона содержит, по меньшей мере, одну насосную установку, выполненную с возможностью управления от единого электронного блока системы управления.
Устройство, характеризующееся тем, что гидравлическая система управления исполнительного механизма наклона содержит две насосные установки.
Устройство, в котором насосные установки размещены под вагоном рядом с тележками.
Устройство, в котором каждая насосная установка выполнена с возможностью управления механизмом наклона, расположенным на одной тележке.
Устройство, характеризующееся тем, что количество насосных установок равно количеству гидроцилиндров.
Устройство, в котором, гидропневматические амортизаторы размещены на тележках и выполнены в виде пневмобаллонов, каждый из которых разделен на две полости поршнем-разделителем.
Устройство, в котором одна полость пневмобаллонов заполнена газообразным азотом под давлением, а другая полость заполнена рабочей жидкостью и сообщается с соответствующей полостью силового цилиндра.
Устройство, в котором между жидкостными полостями гидропневматических амортизаторов и соответствующими полостями гидроцилиндра установлены демпфирующие элементы, каждый из которых состоит из клапана и системы дроссельных отверстий.
Заявляемое устройство представлено на фиг.1-4, где на фиг.1 представлен продольный разрез исполнительного механизма наклона, на фиг.2 представлен вид сбоку на фиг.1, на фиг.3 - схема механизма наклона, на фиг.4 - принципиальная гидравлическая схема механизма принудительного наклона.
Исполнительный механизм наклона размещается на тележке вагона и включает в себя два силовых гидроцилиндра 1, четыре гидропневматических амортизатора 2 и систему трубопроводов 3. Силовые гидроцилиндры 1 могут быть установлены на место штатных гасителей вертикальных колебаний. Надпоршневые и штоковые полости гидроцилиндров 1 соединяются с гидропневматическими амортизаторами 2 гибкими шлангами 3.
Наклон кузова обеспечивается поворотом надрессорной балки 4 относительно рамы 5 тележки путем воздействия на нее силовыми гидроцилиндрами 1. При вхождении вагона в кривую, в одни полости силовых гидроцилиндров подается повышенное давление, а из других соответственно сбрасывается. В результате возникшего перепада давлений в полостях, гидроцилиндры воздействуют на пружины 6, одна из которых частично отпускается, другая сжимается. Минимальное давление сброса ограничено, чтобы избежать посадки на упор поршня-разделителя гидропневматического амортизатора, что обеспечит демпфирование вертикальных колебаний и при движении с наклоном кузова. Гидропневматический амортизатор представляет собой баллон, разделенный на две части поршнем. Одна часть заправлена газообразным азотом, в другой находится гидравлическая жидкость (масло). В жидкостной полости находится дроссельный клапан, создающий сопротивление перетеканию жидкости из силового цилиндра в амортизатор при вертикальных колебаниях вагона. Гидропневматические амортизаторы установлены попарно с обеих сторон тележки на кронштейнах надрессорной балки 4. На раму 5 тележки 7 через пружины центрального рессорного подвешивания 6 опирается поперечная надрессорная балка 4, на которую, в свою очередь, опирается кузов вагона 8 через скользуны. Параллельно пружинам центрального рессорного подвешивания 6 установлены силовые гидроцилиндры 1 связывающие раму тележки с надрессорной балкой 4. Между жидкостными полостями гидропневматических амортизаторов и соответствующими полостями гидроцилиндра установлены демпфирующие элементы 9, каждый из которых состоит из клапана и системы дроссельных отверстий. В результате перемещения поршня силовых гидроцилиндров, вызванного вертикальными колебаниями кузова, происходит постоянное перетекание рабочей жидкости из одной полости в другую через дроссельно-клапанную систему. Причем этот режим работы сохраняется как при движении вагона на прямых, так и криволинейных участках пути.
Гидравлический привод исполнительного механизма наклона обеспечивается двумя насосными установками 10, которые размещаются под вагоном рядом с тележками. Каждая насосная установка обслуживает исполнительный механизм наклона, расположенный на одной тележке. Схема гидравлического привода показана на рис.4.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Если вагон движется с большей скоростью, то даже установленное возвышение наружного рельса не может полностью компенсировать возникающую центробежную силу, и на вагон будет действовать поперечная сила, направленная наружу кривой. Влияние этой силы выражают через непогашенное ускорение, которое определяется датчиком ускорения. При входе вагона в кривую сигнал от датчика ускорения поступает на электронный блок управления, который с помощью гидрораспределителей Р2 и Р3 открывает гидрозамки ГЗ1 и ГЗ2, которые управляют потоком жидкости для обеспечения необходимого наклона кузова. Одновременно силовой гидроцилиндр совместно с каждым из пневмобаллонов исполняет роль гасителя вертикальных колебаний кузова, обеспечивая штатную плавность хода при прохождении кривой.
Единый электронный блок управления управляет и работой насосных установок, с него поступают сигналы на магниты гидрораспределителей, включение и отключение электродвигателя, а также снимаются показания с электронных датчиков.
2
По сигналу с электронного блока управления включается электродвигатель насоса. В нагнетательной магистрали жидкость циркулирует через распределитель Р1. При включении распределителя Р1 в систему подается давление 160 bar и заряжается гидроаккумулятор ГА. Система готова к работе. При входе в кривую, датчиком поперечных ускорений подается сигнал о превышении непогашенного ускорения 0,2 м/с.
На магниты Y2 и Y4 распределителей Р2 и Р3 подаются сигналы на открытие. Одновременно открывается распределитель Р4 и из гидроаккумулятора ГА сбрасывается рабочая жидкость через редукционные клапаны КР1 и КР2 в силовые цилиндры. При этом в одном цилиндре заполняется надпоршневая полость, в другом - штоковая. Соответственно штоковая полость одного цилиндра и надпоршневая в другом соединяются со сливной магистралью.
Максимальное давление, поступающее в исполнительные органы ограничивается редукционными клапанами КР1 и КР2. Минимальное давление на сливе ограничивается клапананами давления КД1 и КД2.
При прохождении кривой пропорциональные распределители возвращаются в нейтральное положение тем самым сообщая гидрозамки ГЗ1 и ГЗ2 со сливной магистралью, которые в свою очередь запирают гидросистему механизма наклона. За время прохождения кривой заряжается гидроаккумулятор ГА.
При выходе из кривой подаются сигналы на магниты Y3 и Y5 пропорциональных распределителей и система отрабатывает в обратном порядке.
Для сброса давления из исполнительных органов с целью технического обслуживания и ремонта предусмотрены сливные вентили В1…В4.
Кроме этого в систему включены фильтры высокого Ф2 и низкого Ф3 давления, электронагреватель для подогрева рабочей жидкости в зимнее время, реле низких и высоких температур, реле уровня жидкости, датчики давления и манометры.
При движении, как по прямому участку пути, так и при движении в кривой с установившимся углом наклона кузова, а также при неработающем устройстве наклона, исполнительные механизмы отсечены от системы управления гидрозамками ГЗ, т.е., гидрозамки выключены и наличие их не может отрицательно повлиять на характеристики гасителей, а, следовательно, и плавность хода.
Таким образом исполнительные элементы механизма принудительного наклона кузова вагона представляют собой гидропневматическую подвеску, которая включена параллельно пружинам центрального подвешивания и которая в пассивном (прямолинейном участке ж/д пути) и активном (наклон в кривых ж/д пути) режимах обеспечивает штатную плавность хода вагона как при прямолинейном движении, так и при прохождении кривых.
Пример конкретного выполнения.
Технические характеристики заявляемого устройства
Максимальный угол наклона кузова
3°
Потребляемая мощность
6 кВт
Потребляемый ток:
трехфазный 380 В, 50 Гц
постоянный 27 В
Максимальное давление в силовых цилиндрах
7 Мпа
Максимальное давление в гидросистеме
16 МПа
Диаметр поршня силового цилиндра
90 мм
Диаметр штока силового цилиндра
30 мм
Выход штока силового цилиндра
при максимальном угле наклона
75 мм
Диапазон температур окружающей среды
-40…+70°С.
Мощность насосной станции
4 кВт.
Расход рабочей жидкости
18 л/мин.
Диаметр пневмобаллона
120 мм.
Напряжение питания электродвигателя насоса
27 В.
Рабочая жидкость
масло МГЕ10А.
Гидравлическая насосная установка выполнена в виде одного блока и включает в себя, например, следующие основные устройства:
стальной бак Б; трехфазный электродвигатель М, вмонтированный в стенку бака; шестеренный двухступенчатый насос общей производительностью 18 л/мин; гидропневматический аккумулятор ГА; пропорциональные гидрораспределители Р2 и Р3; управляемые гидрозамки ГЗ1 и ГЗ2; клапаны давления КД1…КД4; редукционные клапаны КР1 иКР2.
В таблице приведены зависимости скорости от кривизны пути для заявляемого решения.
R, м
700
1000
1200
V, км/ч
155
185
205
Общепринятой считается возможность реального увеличения скорости прохождения кривых за счет наклона кузова вагонов примерно на 20-30%. При этом максимальная скорость движения на существующих линиях должна составлять 160-200 км/ч (в зависимости от состояния пути). Повышение скоростей более чем 200 км/ч считается нецелесообразным ввиду значительного роста капиталовложений.
Кроме повышения скорости движения поездов и уменьшения продолжительности поездки использование технологии наклона кузова вагона в кривых за счет управления упругими характеристиками центрального подвешивания в соответствии с заявляемым решением, приносит следующие экономико-эксплуатационные выгоды:
- повышение пропускной способности железнодорожных линий за счет ускорения прохождения поездами блок-участков;
- сокращение оборота подвижного состава, повышение коэффициента его использования;
- уменьшение износа фрикционных тормозных устройств за счет более редкого и менее интенсивного торможения;
- уменьшение потребления энергии на тягу поездов за счет менее частых разгонов.