ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Полезная модель относится к сцепным устройствам подвижного состава железнодорожного транспорта, в частности к соединению двух шарнирно-сочлененных секций грузовых вагонов, а именно к конструкции шарнирного устройства сочленения.
Известно, что железнодорожный транспорт состоит из секций (вагонов), которые в некоторых случаях соединены между собой посредством узла сочленения. Используемое устройство соединения должно выдерживать большие нагрузки, возникающие во всех направлениях во время движения транспорта, например, поперечные смещения при повороте, продольные смещения при спуске или при подъеме на возвышенности, качение. Таким образом, узел соединения секций железнодорожного транспорта должен обеспечивать все виды смещений, а также комбинированных смещений, для этого необходимо чтобы соединение было, как минимум с вертикальной и горизонтальной осями.
Из уровня техники известна поводковая часть для шарнирного узла сочленения (патент US 5219082 А, опубликован от 15.06.1993), которая используется для соединения двух вагонов полупостоянным способом. Поводковая часть включает в себя первый конечный участок, имеющий заданную конфигурацию, позволяющую входить в зацепление и соединяться с заданным концом хребтовой
балки, расположенный по существу вдоль продольной осевой линии присоединяемого железнодорожного вагона, и второй конечный участок, выполненный как единое целое с первым конечным участком и расположенный по существу в продольном направлении противоположно первому конечному участку. Второй конечный участок включает внешнюю оконечную поверхность, имеющую заданную конфигурацию, в которой выполнено отверстие, определенного размера и формы, имеющее продольную ось, расположенную поперек продольной оси поводковой части и по существу горизонтальной плоскости. В отверстии запрессован подшипниковый узел, включающий сферическую деталь, расположенную внутри узла скольжения, образованного парой пластин скольжения.
Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции и сложность технологического процесса изготовления используемого сферического элемента; низкая ремонтопригодность.
Из уровня техники известен подвижной узел сочленения для железнодорожных вагонов (патент US 4867071 А, опубликован от 19.09.1989), который используется для соединения двух вагонов полупостоянным способом, взятый за прототип. Узел сочленения содержит пятниковую часть, которая на одном конце имеет хвостовик коробчатой формы, а на другом конце имеет пятник в нижней части, опорное кольцо, размещенное на внутренней стороне пятника, внутреннюю открытую полость над пятником, и поводковую часть, которая на одном конце имеет хвостовик коробчатой формы, опирающуюся соединительным концом на опорное кольцо, шарнирно соединенные посредством цилиндрического штифта, пропущенного через вертикальные отверстия, выполненные на соединительных концах указанных частей. Соединительный конец поводковой части содержит высокоэластичную втулку, включающую в себя центральное сквозное отверстие для прохождения через него части главного штифта. Высокоэластичная втулка имеет круг в поперечном сечении и состоит из трех металлических колец: первое внешнее металлическое кольцо, второе внутреннее металлическое кольцо, и третье среднее кольцо из высокоэластичного материала, при этом высота первого кольца больше высоты других колец. Главный штифт включает в себя промежуточную часть, имеющую форму усеченного конуса, предназначенную для размещения в сквозном отверстии указанного второго внутреннего кольца.
Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции, что снижает ремонтопригодность и надежность.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и ремонтопригодности конструкции, в том числе увеличение диапазона степеней свободы шарнирного узла сочленения, усовершенствование конструкции, уменьшение износа используемых внутренних деталей, уменьшение продольного люфта в таких соединениях.
Указанный технический результат достигается следующим образом: шарнирный узел соединения грузовых вагонов, содержащий пятниковую часть, которая на одном конце имеет хвостовик коробчатой формы, а на другом конце имеет пятник в нижней части, опорное кольцо, размещенное на внутренней стороне пятника, внутреннюю открытую полость над пятником, и поводковую часть, которая на одном конце имеет хвостовик коробчатой формы, опирающуюся соединительным концом на опорное кольцо, шарнирно соединенные посредством штифта, пропущенного через вертикальные отверстия, выполненные на соединительных концах указанных частей, штифт своим нижним концом соединен со шкворнем тележки вагона, на нижнем торце которого выполнено базирующее центральное направляющее отверстие, шкворень опирается на надрессорную балку тележки вагона, согласно настоящей полезной модели, что в пятнике выполнено сквозное отверстие для размещения шкворня тележки вагона, штифт опирается на шкворневое отверстие в пятнике, при этом с внутренней стороны пятника выполнено отверстие для размещения штифта.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что штифт с стороны нижнего торца имеет внутреннюю открытую полость длинной равной от 105 мм до 315 мм.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что ширина хвостовиков поводковой и пятниковой частей соответствует внутренней ширине хребтовой балки и составляет от 345 до 355 мм.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что в вертикальном отверстии поводковой части между ее внутренней боковой поверхностью и штифтом установлен опорный промежуточный вкладыш со сферической наружной опорной поверхностью, контактно взаимодействующий с
ответной сферической поверхностью, выполненной на внутренней боковой поверхности вертикального отверстия поводковой части.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что в вертикальном отверстии поводковой части между ее внутренней боковой поверхностью и штифтом установлен опорный промежуточный вкладыш, выполненный в виде соединенных между собой двух сегментов.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что торец соединительного конца поводковой части выполнен со сферической поверхностью, контактно взаимодействующий с ответной сферической поверхностью внутренней стенки соединительного конца пятниковой части.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что во внутренней открытой полости пятниковой части дополнительно установлен упорный блок (клиновая деталь), при этом упорный блок выполнен с ответной сферической поверхностью к сферической поверхности наружной стенки соединительного конца поводковой части.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что в пятнике дополнительно установлено кольцевое седло, на которое опирается опорное кольцо.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что в пятнике выполнено сквозное отверстие для размещения штифта.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что в нижнем торце штифта выполнено отверстие, с по меньшей мере одной образующей, радиуса большего, чем радиус внутренней полости штифта.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что с опорной стороны пятника вокруг шкворневого отверстия выполнена направляющая проточка.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что все контактные поверхности пятниковой и поводковой частей имеют износостойкое покрытие и/или смазывающий вкладыш, расположенный между ними.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что вертикальные стенки хвостовиков поводковой и пятниковой частей выполнены со скосом.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что торцы и нижние полки хвостовиков поводковой и пятниковой частей имеют разделку под сварной шов.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что высота хвостовиков поводковой и пятниковой частей составляет от 270 до 300 мм.
Возможен вариант развития основного решения, заключающийся в том, что поводковая и пятниковая части расположены на одной продольной оси, находящейся на высоте от 263 до 273 мм от зеркала пятника.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый шарнирный узел соединения грузовых вагонов, отличается от прототипа тем, что в пятнике выполнено сквозное отверстие для размещения шкворня тележки вагона, штифт опирается на шкворневое отверстие в пятнике, при этом с внутренней стороны пятника выполнено отверстие для размещения штифта, штифт с стороны нижнего торца имеет внутреннюю открытую полость длинной равной от 105 мм до 315 мм, ширина хвостовиков поводковой и пятниковой частей соответствует внутренней ширине хребтовой балки и составляет от 345 до 355 мм, в вертикальном отверстии поводковой части между ее внутренней боковой поверхностью и штифтом установлен опорный промежуточный вкладыш со сферической наружной опорной поверхностью, контактно взаимодействующий с ответной сферической поверхностью, выполненной на внутренней боковой поверхности вертикального отверстия поводковой части, в вертикальном отверстии поводковой части между ее внутренней боковой поверхностью и штифтом установлен опорный промежуточный вкладыш, выполненный в виде соединенных между собой двух сегментов, торец соединительного конца поводковой части выполнен со сферической поверхностью, контактно взаимодействующий с ответной сферической поверхностью внутренней стенки соединительного конца пятниковой части, во внутренней открытой полости пятниковой части дополнительно установлен упорный блок (клиновая деталь), при этом упорный блок выполнен с ответной сферической поверхностью к сферической поверхности наружной стенки соединительного конца поводковой части, в пятнике дополнительно установлено кольцевое седло, на которое опирается опорное кольцо, в пятнике выполнено сквозное отверстие для размещения штифта, в нижнем торце штифта выполнено отверстие, с по меньшей мере одной образующей, радиуса
большего, чем радиус внутренней полости штифта, с опорной стороны пятника вокруг шкворневого отверстия выполнена направляющая проточка, все контактные поверхности пятниковой и поводковой частей имеют износостойкое покрытие и/или смазывающий вкладыш, расположенный между ними, вертикальные стенки хвостовиков поводковой и пятниковой частей выполнены со скосом, торцы и нижние полки хвостовиков поводковой и пятниковой частей имеют разделку под сварной шов, высота хвостовиков поводковой и пятниковой частей составляет от 270 до 300 мм, поводковая и пятниковая части расположены на одной продольной оси, находящейся на высоте от 263 до 273 мм от зеркала пятника.
Выполнение пятника со сквозным отверстием для размещения шкворня и отверстия, с внутренней стороны, для размещения штифта, опирающегося на шкворневое отверстие в пятнике, обеспечивает повышение надежности конструкции за счет прямого соединения узла сочленения с тележкой вагона, а также уменьшения момента сил, действующих на штифт со стороны частей шарнирного узла сочленения, путем уменьшения площади поверхности взаимодействия пятника и штифта, что впоследствии увеличивает межремонтный срок эксплуатации. В том числе шкворневое отверстие в пятнике обусловлено повышением удобства центрирования шарнирного узла сочленения в момент соединения его частей с тележкой вагона посредством шкворня, путем увеличения диаметра отверстия относительно диаметра внутренней открытой полости, для удобства установки шкворня во внутреннюю открытую полость штифта.
Длина внутренней открытой полости штифта обусловлена длиной используемого шкворня тележки вагона и его размещения внутри штифта в целях уменьшения вероятности отсоединения (соскока) шарнирного узла сочленения и подпятника тележки вагона, а также наиболее быстрого и надежного соединения в случае движения шарнирного узла относительно тележки вагона, что соответственно повышает надежность конструкции. Например, когда тележка вагона, на которой расположен сам вагон подскакивает на месте стыковки железнодорожного полотна, а тележка вагона, на которой расположен шарнирный узел сочленения остается на месте, велика вероятность, что шарнирный узел сочленения отсоединится от подпятника тележки вагона. В случае использования короткого шкворня существует возможность полного соскока шарнирного узла
сочленения с тележки вагона, а, следовательно, вероятность столкновения сочлененных вагонов, падения шарнирного узла на железнодорожное полотно, или схода вагонов с рельсов.
Выполнение хвостовиков пятниковой и поводковой частей шириной, соответствующей внутренней ширине хребтовой балки, упрощает процесс центрирования шарнирного узла сочленения в поперечном направлении относительно хребтовой балки, а также повышает надежность конструкции, за счет отсутствия значительных расхождений в значениях размеров, а соответственно, в ширине сварных швов.
Опорный промежуточный вкладыш повышает надежность конструкции за счет дополнительной фиксации штифта в вертикальном отверстии поводковой части, а также повышает ремонтопригодность шарнирного узла в целом, за счет возможности замены только опорного вкладыша или его части, в случае его поломки. Опорный промежуточный вкладыш может быть выполнен из материала отличного от материала самой поводковой части, в том числе может быть выполнен из сегментов, как одинакового, так и разного материала, которые могут быть как жестко, так и свободно соединены между собой, а также могут быть частями одного единого целого элемента поводковой части. Кроме того, опорный промежуточный вкладыш может быть единым элементом с поводковой частью или ее отдельным элементом, который соединяется с остальными частями шарнирного узла сочленения только в момент сборки конструкции. Опорный промежуточный вкладыш поводковой части может быть расценен, как блок шарнирной опоры, в том числе может быть представлен в виде подшипника. Опорный промежуточный вкладыш поводковой части в поперечном сечении может отличаться от соединительного конца поводковой части по геометрической форме, высоте, ширине, и толщине в том числе может иметь различные скосы.
Контактные поверхности шарнирного узла сочленения могут быть выполнены с износостойким покрытием и/или между ними может быть установлен дополнительный смазывающий вкладыш, который может состоять из нескольких частей, с целью снижения силы трения между деталями шарнирного узла сочленения и увеличения времени эксплуатации. Внутренние элементы частей шарнирного узла сочленения соединяются по сферическим поверхностям, чтобы
обеспечить гибкость устройства, и могут содержать дополнительные отдельные поглощающие износ детали, которые могут быть заменены после длительной эксплуатации. Такие шарнирные соединения предназначены для преодоления вертикальных изгибов, а также изгибов в горизонтальной плоскости, которые могут возникать в условиях эксплуатации. Возможность такого взаимодействия поверхностей друг с другом обеспечивает повышение надежности конструкции за счет увеличения степеней свободы шарнирного узла в целом.
За счет того, что верхняя полка хвостовиков поводковой и пятниковой частей короче нижней полки и вертикальные стенки хвостовиков выполнены со скосом под углом, происходит увеличение длины сварных швов, что повышает надежность крепления частей шарнирного узла сочленения к соответствующим хребтовым балкам грузовых вагонов. Также в основании верхней полки хвостовиков поводковой и пятниковой частей может быть выполнена ступенька, которая обусловлена тем, что сварной шов может быть выполнен с торцом верхней полки и хребтовой балки, что также повышает надежность крепления частей шарнирного узла сочленения к соответствующим хребтовым балкам грузовых вагонов.
Использование внутренних деталей в таких соединениях при высоких нагрузках предусмотрены с сохранением малых допусков для предотвращения возможного защемления и наволакивания внутренних частей соединения. Например, чрезмерный люфт между пятниковой и поводковой частью может допустить перемещение и заклинивание некоторых внутренних деталей узла по отношению к другим.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами: фигура 1 - общий вид шарнирного узла; фигура 2 - возможный вариант развития основного решения; фигура 3 - вид сверху.
На фиг. 1, показан шарнирный узел сочленения грузовых вагонов, пятниковая часть 1 которого состоит из удлиненного хвостовика 2 коробчатой формы, пятника 3, боковых (не показано на чертеже) и верхней 4 стенок, образующих внутреннюю открытую полость 5. На внутренней стороне пятника 3 (со стороны внутренней открытой полости 5) выполнено округлое отверстие 6, где размещено опорное кольцо 7. В пятнике 3 и в верхней стенке 4 есть вертикальные отверстия 8 и 9 соответственно, для размещения штифта 10. Поводковая часть 11 состоит из
удлиненного хвостовика 12 коробчатой формы, соединительного конца 13 и опорного промежуточного вкладыша 14, имеющих сферические поверхности (на фиг. 1 разной высоты). Соединительный конец 13 поводковой части 11 имеет сферическую наружную боковую поверхность 15, по которой контактно взаимодействует с ответной внутренней сферической поверхностью задней стенки 16 внутренней открытой полости 5 пятниковой части 1. Соединительный конец 13, имеет сквозное вертикальное отверстие 17, предназначенное для установки опорного промежуточного вкладыша 16 и размещения штифта 10. Пятниковая часть 1 и поводковая часть 11 соединены посредством штифта 10, который проходит в сквозные отверстия обеих частей, 8, 9 и 17 соответственно. Штифт 10 является вертикальной осью шарнирного узла сочленения, относительно которой происходит вращательное движение.
Опорный промежуточный вкладыш 14 имеет сферическую наружную поверхность 18, по которой контактно взаимодействует с ответной сферической поверхностью 19, выполненной на внутренней боковой поверхности вертикального отверстия 17 в соединительном конце 13 поводковой части 11.
В соответствии с возможным вариантом развития основного технического решения представленным на фиг. 2, во внутренней открытой полости 5 может быть установлен упорный блок 20, который может иметь плоскую заднюю поверхность 21, для плотного прилегания к задней стенке 16 внутренней открытой полости 5, и переднюю вогнутую сферическую поверхность 22 для более плотного прилегания к наружней боковой сферической поверхности 15 соединительного конца 13 поводковой части 11 и упрочнения конструкции шарнирного узла. В следствии возникновения сил трения, а также износа металла во время эксплуатации шарнирного узла сочленения во внутренней открытой полости 5 может быть дополнительно установлена клиновая деталь 23, для уменьшения возникающих люфтов между элементами пятниковой 1 и поводковой 11 частей.
Для более плотного соединения пятниковой 1 и поводковой 11 частей пятник 3 может быть выполнен с дополнительным углублением 24, предназначенным для установки кольцевого седла 25.
Шарнирный узел сочленения может быть расположен на общеизвестной тележке вагона любого типа. Пятниковая часть 1 одного железнодорожного вагона,
и поводковая часть 11 второго железнодорожного вагона, являющиеся частями одного шарнирного узла сочленения расположены на одной продольной оси, находящейся на высоте 268±5 мм от пятника 3. Шарнирный узел сочленения характеризуется также тем, что центр шарнирного узла сочленения расположен над центром пятника 3, который находится над центром подпятника 26 тележки вагона.
Для соединения шарнирного узла сочленения и тележки вагона используется шкворень 27, опирающийся на надрессорную балку 28 тележки вагона. В нижней части пятника 3 и штифта 10 шарнирного узла сочленения выполнены отверстия 29 и 30 соответственно, с минимальными допусками. Шкворень 27 опирается на надрессорную балку 28 тележки вагона и проходит насквозь подпятник 26 тележки вагона, пятник 3 и размещается в отверстии 30 штифта 10 шарнирного узла сочленения. Также с опорной стороны пятника 3 вокруг шкворневого отверстия 29 выполнена направляющая проточка 31.
Хвостовики 2 и 12 частей шарнирного узла сочленения могут быть выполнены высотой от 270 мм до 300 мм и иметь ширину, соответствующую внутренней ширине хребтовой балки, равную 350±5 мм (см. фиг. 3). Верхние полки хвостовиков 2 и 12 могут быть выполнены короче нижних полок, а вертикальные стенки хвостовиков могут быть выполнены со скосом под углом.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Хвостовик 2 пятниковой части 1 и хвостовик 12 поводковой части 11 шарнирного узла сочленения ввариваются в хребтовые балки вагонов (на чертежах не показаны), которые необходимо соединить (сочленить). Вагоны размещают на одном пути один за другим, так чтобы между вагонами на путях находилась тележка вагона, предназначенная для размещения на ней шарнирного узла сочленения. Соединительный конец 13 поводковой части 11, с заранее установленным в нем опорным промежуточным вкладышем 14, размещается внутри открытой полости 5 пятниковой части 1, так чтобы вертикальные отверстия 8, 9 и 17 находились на одной вертикальной оси. В вертикальные отверстия 8, 9 и 17 устанавливают штифт 10.
Далее шарнирный узел сочленения опускают на тележку вагона таким образом, чтобы шкворень 27, заранее установленный в тележку вагона, опирающийся на надрессорную балку 28 попал в вертикальные отверстия 29 и 30.
При проходе кривых, перекосов, неровностей железнодорожного рельсового пути поводковая часть 11 может поворачиваться в вертикальном и горизонтальном направлениях относительно пятниковой части 1 шарнирного узла сочленения, за счет скольжения элементов поводковой части 11 во внутренней открытой полости 5 пятниковой части 1, передавая при этом продольные и поперечные силы.
Размещение упорного блока 20 и клиновой детали 23 во внутренней открытой полости 5 пятниковой части 1 уплотнят шарнирное соединение путем вдавливания клина 23 между частями шарнирного узла сочленения по мере действия на шарнирный узел вертикальных (продольных) сил, эксплуатации, износа деталей и усталости металла.
Таким образом заявляемая полезная модель всей своей совокупностью существенных признаков позволяет увеличить диапазон степеней свободы шарнирного узла сочленения, усовершенствовать конструкцию, повысить надежность и ремонтопригодность конструкции, уменьшить износ используемых внутренних деталей, при условии малых допусков, а также уменьшить продольный люфт в таких соединениях.
При ремонте заявляемой полезной модели возможно произвести замену любого элементов шарнирного узла сочленения путем разбора его на детали.