РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ДВУХОСНОЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к рессорному подвешиванию тележек грузовых вагонов, основной задачей которого является обеспечение стабильной работы элементов рессорного подвешивания и деталей тележки, что позволит улучшить динамические качества грузового подвижного состава.
Многочисленными исследованиями показано, что динамические качества подвижного состава во многом определяются параметрами рессорного подвешивания, которое включает в себя фрикционные гасители колебаний и поддерживающие надрессорную балку пружины. Одним из главных недостатков общеприменимой типовой тележки модели 18-100 является неизменность вертикальной жесткости подвешивания при переходе от порожнего (минимальная расчетная масса вагона) к груженому режиму загрузки (максимальная расчетная масса вагона), что приводит к увеличению частот колебаний порожних и малозагруженных вагонов и росту действующих на них ускорений. При скоростях движения в диапазоне от 50 до 60 км/ч коэффициенты динамики порожних вагонов значительно хуже, чем у груженых, что приводит к ограничению скорости движения порожних составов. По мере износа фрикционного клина происходит его завышение по отношению к надрессорной балке, что способствует уменьшению поджатия пружин под фрикционными клиньями и трения в подвешивании.
В идеальном случае гибкость пружинного комплекта, поддерживающего надрессорную балку, должна быть наибольшей из условия максимально допустимого вертикального перемещения продольных осей автосцепок смежных вагонов, а коэффициент относительного трения во фрикционном гасителе колебаний должен быть таким, чтобы возникающие при движении вагона амплитуды колебаний подрессоренной части вагона эффективно «затухали».
При проектировании рессорного подвешивания важно соблюдать баланс между его характеристиками, показателями динамических качеств и конструктивными особенностями тележки. Так, например, чем мягче подвеска, тем меньше воздействие на путь, а гашение должно находиться в оптимальном диапазоне, при недостатке гашения колебаний происходит резонансное раскачивание вагона, а избыток гашения колебаний может привести к «заклиниванию», при котором подвеска блокируется, и повышению воздействия на путь.
Известно техническое решение, относящееся к области железнодорожного транспорта и включающее в себя рессорное подвешивание двухосной тележки грузового вагона, в составе которого находится семи рядный пружинный комплект, включающий в себя две группы пружин, наружная и внутренняя, при этом высота в свободном состоянии одной из них больше высоты другой, фрикционные клинья. Отношение показателя суммарной вертикальной жесткости пружин рессорного подвешивания для груженого вагона (максимальная грузоподъемность) к показателю суммарной жесткости для порожнего вагона находится в диапазоне от 1,6 до 2,1, см. RU 192706 U1 от 01.07.2019.
Недостатком данного технического решения является недостаточное поджатие фрикционных клиньев в связи с реализацией в подвешивании пружинного комплекта с билинейной вертикальной силовой характеристикой. При постановке кузова вагона на тележки поджатие фрикционных клиньев и надрессорной балки происходит одновременно группой наружных или внутренних пружин. При этом полный прогиб подвешивания порожнего вагона равен расчетному. Данная компоновка пружинного комплекта способствует снижению коэффициента относительного трения для порожнего вагона и, как следствие, эффективности работы фрикционного гасителя колебаний. К тому же, у данного технического решения отсутствует возможность уменьшения величины относительного взаимного забегания боковых рам ходовой тележки по причине размещения наклонных поверхностей клина фрикционного гасителя колебаний в одной плоскости.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является ходовая тележка железнодорожного вагона, содержащая размещённые в проёме боковой рамы пружинный комплект и фрикционные клинья, на которые своими концами опёрта надрессорная балка. Пружинный комплект включает в себя не более семи двухрядных пружин, размещенных под надрессорной балкой и клиньями, и обладает билинейной вертикальной силовой характеристикой. Под надрессорной балкой установлено пять двухрядных пружин, наружная и внутренняя пружины разной или одинаковой высоты, под каждым фрикционным клином расположена комбинация из наружной и внутренней пружин одинаковой высоты. При этом подклиновые пружины выполнены высотой больше, чем двухрядная пружина под надрессорной балкой, или равной высоте одной из пружин под надрессорной балкой (наружная или внутренняя), см. RU 16482 U1 от 26.06.2000.
Недостатком данного технического решения является неравномерный износ контактных поверхностей пары трения «фрикционный клин-надрессорная балка», который сокращает срок службы данных деталей. Кроме того, пружинный комплект с билинейной вертикальной силовой характеристикой в отличие от кусочно-линейной вертикальной силовой характеристики не позволяет в полной мере реализовать различные вариации расчетного прогиба порожнего и груженого вагона, коэффициента относительного трения в зависимости от значений осевой нагрузки путем комбинаций расположения точек перелома вертикальной силовой характеристики.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка рессорного подвешивания для двухосной тележки грузового вагона, обеспечивающего схожие динамические качества у порожнего и груженого вагона, эффективность и стабильность гашения колебаний при экстремальных режимах эксплуатации железнодорожного грузового вагона (неблагоприятное сочетания вертикальных неровностей рельсового полотна, соударение вагонов при маневрах).
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении стабильной работы рессорного подвешивания двухосной тележки как при порожнем, так и при груженом режиме, что в целом обеспечит улучшение динамических качеств грузового вагона.
Указанный технический результат достигается конструкцией рессорного подвешивания двухосной тележки грузового вагона, содержащее надрессорную балку, пружинный комплект, фрикционные клинья и ответные им вставки в карманах надрессорной балки, при этом пружинный комплект включает в себя комбинацию двухрядных и однорядных цилиндрических пружин, состоящих из наружных и внутренних пружин, расположенных под надрессорной балкой и под фрикционными клиньями, при этом пружинный комплект включает в себя разновысотные цилиндрические пружины, при этом наружные и внутренние пружины, расположенные под фрикционными клиньями, выполнены с равными между собой высотами и большими по высоте, чем наружные пружины, расположенные под надрессорной балкой, при этом внутренние пружины, расположенные под надрессорной балкой, выполнены меньшими по высоте, чем наружные пружины, расположенные под надрессорной балкой;
пружинный комплект включает в себя семь наружных пружин под надрессорной балкой, а количество внутренних пружин может составлять от шести до семи в зависимости от обеспечения необходимой гибкости рессорного подвешивания, при этом однорядная пружина в виде наружной пружины расположена в центральной части пружинного комплекта;
наружные и внутренние пружины, расположенные под фрикционными клиньями, выполнены с равными между собой высотами и большими по высоте, чем наружные пружины, расположенные под надрессорной балкой, на величину от 10 до 20 мм, при этом внутренние пружины, расположенные под надрессорной балкой, выполнены меньшими по высоте, чем наружные пружины, расположенные под надрессорной балкой, на величину от 20 до 35 мм;
пор
гр
разность полных статических прогибов подвешивания для порожнего f и груженого f вагонов составляет от 50 до 60 мм;
расчётный статический прогиб подвешивания  для порожнего вагона составляет от 10 до 20 мм;
расчётный статический прогиб подвешивания  для гружёного вагона составляет от 50 до 65 мм;
2
3
вертикальная силовая характеристика пружинного комплекта имеет не менее трёх линейных участков, каждый из которых отделен зоной перегиба, при этом отношение жёсткости второго участка С, соответствующей порожнему вагону, к жёсткости третьего участка С, соответствующей гружёному вагону, составляет от 0,50 до 0,60;
1
пор
соотношение нагрузки P, соответствующей первой точке перелома вертикальной силовой характеристики, к нагрузке P на рессорное подвешивание, соответствующей порожнему режиму вагона, составляет от 0,20 до 0,35;
пор
разность высот двухрядной подклиновой пружины и наружных пружин, расположенных под надрессорной балкой, составляет от 0,5 до 0,6 от полного статического прогиба подвешивания f порожнего вагона, при этом разность высот двухрядной подклиновой пружины и внутренних пружин, расположенных под надрессорной балкой, составляет от 1,6 до 2,2 от полного статического прогиба подвешивания порожнего вагона;
фрикционный клин содержит полый корпус, имеющий плоскую заднюю стенку с вертикальной поверхностью, предназначенной для взаимодействия с ответной поверхностью фрикционной планки боковой рамы, горизонтальное основание для взаимодействия с пружинами, передние стенки с наклонными поверхностями, предназначенными для взаимодействия с ответными вставками в карманах надрессорной балки, при этом наклонные поверхности фрикционного клина и вставки выполнены под углом α от 50° до 60° к горизонтальному основанию, наклонные поверхности фрикционного клина и вставки состоят из двух призматических частей, расположенных под взаимным углом 2β от 140° до 160°, при этом ширина b фрикционного клина выполнена в диапазоне от 165 до 185 мм, высота H фрикционного клина выполнена в диапазоне от 130 до 160 мм.
Если разность высот наружных и внутренних пружин под надрессорной балкой будет меньше 20 мм, то это приведёт к уменьшению расчетного прогиба и ухудшению динамических качеств груженого вагон. Если разность высот наружных и внутренних пружин под надрессорной балкой будет больше 35 мм, это приведёт к уменьшению запаса прогиба для наружных пружин и, соответственно, под нагрузкой брутто вагона может произойти смыкание витков.
Если высота подклиновых пружин будет превышать высоту наружных пружин, расположенных под надрессорной балкой, на величину менее 10 мм, то не будет обеспечено достаточное поджатие фрикционных клиньев для эффективного гашения колебаний порожнего вагона. При этом если разность высот подклиновых пружин и наружных пружин под надрессорной балкой будет больше 20 мм, то это приведёт к уменьшению запаса прогиба для подклиновых пружин и, соответственно, под нагрузкой брутто вагона может произойти смыкание витков.
2
3
пор
гр
2
3
пор
гр
Отношение жёсткости второго участка С вертикальной силовой характеристики пружинного комплекта, соответствующей порожнему вагону, к жёсткости третьего участка С, соответствующей груженому вагону, менее 0,50, а также разность полных статических прогибов подвешивания для порожнего f и груженого f вагонов менее 50 мм приведет к уменьшению расчетного прогиба груженого вагона и как следствие к ухудшению динамических качеств. Увеличение отношения жесткости второго участка С к жесткости третьего участка С более 0,6, а также разность полных статических прогибов подвешивания для порожнего f и груженого f вагонов более 60 мм приведет к ухудшению динамических качеств порожнего вагона и снижению безопасности движения.
1
пор
1
пор
Если соотношение нагрузки P к нагрузке на рессорное подвешивание P составит менее 0,20, то не будет обеспечено достаточное поджатие фрикционных клиньев для эффективного гашения колебаний порожнего вагона. При соотношении нагрузки P к нагрузке на рессорное подвешивание P более 0,35 приведет к передемпфированию колебаний и как следствие к выключению из работы фрикционного гасителя колебаний.
Если величина расчетного статического прогиба подвешивания для порожнего вагона  и груженого вагона  составит менее 10 мм и 50 мм соответственно, то это приведет к ухудшению динамических качеств вагона на всем диапазоне загрузки. При реализации расчетного статического прогиба подвешивания порожнего и груженого вагона более 20 мм и 65 мм соответственно снизится запас прогиба подвешивания, что может привести к смыканию рабочих витков пружин, что недопустимо в эксплуатации.
пор
пор
Снижение отношения разности высот двухрядной подклиновой пружины и наружных пружин, расположенных под надрессорной балкой, к полному статическому прогибу подвешивания f порожнего вагона менее 0,5, а также снижение отношения разности высот двухрядной подклиновой пружины и внутренних пружин, расположенных под надрессорной балкой, к полному статическому прогибу подвешивания f порожнего вагона менее 1,6 приведет к снижению запаса прогиба подвешивания и возможному смыканию рабочих витком пружин для груженого вагона.
пор
пор
Увеличение отношения разности высот двухрядной подклиновой пружины и наружных пружин, расположенных под надрессорной балкой, к полному статическому прогибу подвешивания f порожнего вагона более 0,6, а также увеличение отношения разности высот двухрядной подклиновой пружины и внутренних пружин, расположенных под надрессорной балкой, к полному статическому прогибу подвешивания f порожнего вагона более 2,2 приведет к ухудшению динамических качеств и снижению запаса устойчивости порожнего вагона.
Исполнение углов α и 2β вне указанных диапазонов приведет к заклиниванию фрикционного гасителя колебаний и выключению его из работы, а также снижению устойчивости клинового гасителя против опрокидывания.
При обозначенных диапазонах значений ширины b и высоты H предлагаемый клин фрикционного гасителя колебаний исключает избыточное относительное взаимное забегание боковых рам при прохождении железнодорожным вагонам кривых участков железнодорожного пути, при этом обеспечивается улучшение динамических качеств порожнего и груженого вагона.
Если угол 2β между двумя симметричными призматическими частями наклонной поверхности вставки, взаимодействующей с фрикционным клином, будет составлять менее 140° или более 160°, то нарушится устойчивость работы фрикционного гасителя колебаний, увеличится износ контактирующих поверхностей клина и вставки, что также приведет к ухудшению динамических качеств вагона.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 - общий вид рессорного подвешивания двухосной тележки грузового вагона;
на фиг. 2 - пружинный комплект с фрикционными клиньями и вставками;
на фиг. 3  - схема пружинного комплекта;
на фиг. 4 - вертикальная силовая характеристика пружинного комплекта;
на фиг. 5 - общий вид фрикционного клина;
на фиг. 6 - геометрические параметры фрикционного клина;
на фиг. 7 - сечение фрикционного клина с геометрическими параметрами наклонной поверхности;
на фиг. 8 - надрессорная балка с фрикционными клиньями и вставками.
На чертежах представлены следующие элементы рессорного подвешивания двухосной тележки:
1 - надрессорная балка;
2 - боковая рама;
3 - пружинный комплект рессорного подвешивания;
4 - фрикционный клин;
5 - вставка в кармане 13 надрессорной балки 1;
6 - наружная подклиновая пружина;
7 - внутренняя подклиновая пружина;
8 - наружная пружина под надрессорной балкой 1;
8.1 - однорядная наружная пружина под надрессорной балкой 1;
9 - внутренняя пружина под надрессорной балкой 1;
10 - вертикальная поверхность фрикционного клина 4;
11 - наклонная поверхность фрикционного клина 4;
12 - опорная поверхность фрикционного клина 4;
13 - карман надрессорной балки 1.
пор
гр
Рессорное подвешивание тележки (фиг. 1) включает в себя размещённые в проёме боковой рамы 2 пружинный комплект 3, фрикционные гасители колебаний в виде фрикционных клиньев 4 пространственной конфигурации и ответные им вставки 5, размещенные в карманах 13 надрессорной балки 1. Пружинный комплект 3 (фиг. 2) состоит из комбинации симметрично расположенных разновысотных наружных и внутренних цилиндрических пружин, расположенных под надрессорной балкой 1 и под фрикционными клиньями 4. На две двухрядные подклиновые пружины (наружная 6 и внутренняя 7) опирается каждый фрикционный клин 4. Под надрессорной балкой 1 располагается семь наружных 8 пружин, и от шести до семи внутренних 9 пружин. При реализации под надрессорной балкой 1 шести внутренних 9 пружин однорядная наружная 8.1 пружина расположена в центральной части пружинного комплекта 3 (фиг. 3). Подклиновые наружные 6 и внутренние 7 пружины, которые расположены под фрикционными клиньями 4, выполнены с равными между собой высотами. В свободном состоянии подклиновые наружные 6 и внутренние 7 пружины превышают по высоте наружные 8 и внутренние 9 пружины, расположенные под надрессорной балкой 1. Внутренние пружины 9 выполнены с наименьшей высотой относительно наружных пружин 8 и подклиновых пружин 6, 7. Комбинация разновысотных пружин позволяет реализовать кусочно-линейную вертикальную силовую характеристику (фиг. 4), обеспечивающую порожнему и груженому режиму схожие динамические качества. При этом разность полных статических прогибов подвешивания для порожнего f и груженого вагона f составляет от 50 до 60 мм.
Фрикционный клин 4 (фиг. 5) выполнен цельным телом и имеет пространственную конфигурацию, включающую в себя вертикальную поверхность 10, наклонные поверхности 11, опорную поверхность 12. Наклонная поверхность 11 имеет угол наклона α к горизонтали и выполнена из двух призматических частей, наклоненных друг к другу под углом 2β (фиг. 6). Фрикционный клин 4 наклонной поверхностью 11 взаимодействует с ответной наклонной поверхностью вставки 5. Вертикальная поверхность 10 фрикционного клина 4 взаимодействует с фрикционной планкой боковой рамы.
С целью размещения фрикционных клиньев 4 в системе рессорного подвешивания надрессорная балка 1 с каждой стороны имеет карманы 13 (фиг. 7), к наклонной поверхности которых с помощью сварного соединения закрепляются ответные фрикционному клину 4 вставки 5, имеющие пространственную конфигурацию и состоящие из двух призматических частей, обращенных к друг другу под углом 2β. Наклонная поверхность кармана 13 надрессорной балки 1 также обращена к горизонтали под углом α для сопряжения с ответной поверхностью фрикционного клина 4.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
При постановке порожнего кузова грузового вагона на двухосные тележки происходит поджатие фрикционных клиньев размещенными под ними двухрядными подклиновыми пружинами, также нагрузку от надрессорной балки воспринимают расположенные под ней наибольшие по высоте наружные пружины. При груженом режиме загрузки вагона включаются в работу самые короткие внутренние пружины, расположенные под надрессорной балкой.
Применение комбинации разновысотных пружин рессорного подвешивания, при которой реализуется кусочно-линейная вертикальная силовая характеристика, позволяет обеспечить рациональные характеристики подвешивания в зависимости от загруженности вагона, снижение воздействия вагона на путь и в итоге улучшение его динамических качеств.
При движении железнодорожного грузового вагона в порожнем и груженом режимах загрузки по рельсовому пути с различными сочетаниями вертикальных и горизонтальных неровностей возникают колебания обрессоренных частей вагона, демпфирование которых происходит силами фрикционной клиновой системы, включающей в себя фрикционный клин, контактирующий вертикальной поверхностью с ответной частью боковой рамы, и наклонной поверхностью ответной вставки в кармане надрессорной балки.
Фрикционный клин пространственной конфигурации оказывает существенное влияние на коэффициент относительного трения и характеристики тележки в плане (жесткость в поперечном направлении и сопротивление тележки относительному продольному перемещению боковых рам), что позволяет увеличить устойчивость вагона при движении на прямых и кривым участках пути, обеспечить улучшение его динамических качеств.
Таким образом, предлагаемая конструкция рессорного подвешивания двухосной тележки грузового вагона обеспечивает заявленный технический результат  - обеспечение стабильной работы рессорного подвешивания в составе фрикционного гасителя колебаний и цилиндрических пружин как при порожнем, так и при груженом режиме, что в целом приводит к улучшению динамических качеств грузового вагона., обеспечивает стабильные динамические качества и эффективность гашения колебаний при движении как порожнего, так и груженого вагона, повышает устойчивость движения вагона на прямом и в кривых участках пути, обеспечивает заданный ресурс деталей тележки.