Трехосная тележка с нелинейным рессорным комплектом

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а именно к конструкции трехосных тележек.
Известна трехосная тележка (патент РФ №17499, МПК B61F 5/00, опубл. 10.04.2001), состоящая из двухосной тележки, содержащей две колесные пары, центральное рессорное подвешивание, буксовые узлы, боковые рамы, рессорные комплекты, надрессорную балку, имеющую скользуны, подпятник, воспринимающий нагрузку от пятника соединительной балки, посредством которой присоединена колесная пара, содержащая буксы и надбуксовые рессорные комплекты.
Недостатком известной трехосной тележки является неудовлетворительные динамические качества, связанные с тем, что рессорное подвешивание выполнено одноступенчатым и имеет линейную силовую характеристику, поэтому под весом только тары вагона прогиб рессорных комплектов недостаточный вследствие чего возникает риск обезгрузки колес.
Известна трехосная тележка модели 18-102 (альбом-справочник «Вагоны грузовые железных дорог колеи 1520 мм», ПКБ ЦБ, 002И-2010), принятая в качестве прототипа, содержащая три колесные пары с буксами, четыре боковые рамы, два балансира, четыре комплекта рессорного подвешивания, две надрессорные балки, шкворневую балку с подпятником, две надрессорные балки и тормозную рычажную передачу.
На одном конце каждой боковой рамы имеется проем для буксы и опирание происходит на буксы крайних колесных пар, а на другом конце имеется хобот и опирание происходит через балансиры на буксы средней колесной пары, в средней части рамы выполнен проем для размещения рессорного комплекта и надрессорной балки.
Недостатком известной конструкции трехосной тележки является неудовлетворительные динамические качества, выраженные в частности в возможности возникновения обезгрузки колес вследствие малого прогиба рессорных комплектов под весом тары вагона.
Рессорный комплект трехосной тележки состоит из пружин одинаковой высоты, это отрицательно влияет на устойчивость вагона, в переходных кривых возможно возникновение обезгрузки колес, создавая таким образом угрозу схода вагона с рельсов. Статический прогиб пружин в конструкции центрального рессорного подвешивания в порожнем режиме недостаточен для обеспечения удовлетворительных динамических характеристик вагона.
ст
Известно, что ходовые качества вагонов определяются средним коэффициентом вертикальной динамики  («Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм», ГосНИИВ-ВНИИЖТ, Москва, 1996), который в свою очередь зависит от статического прогиба рессорных комплектов ƒ.
а
где  - коэффициент, равный для элементов кузова - 0,05, для обрессоренных частей тележки - 0,10, для необрессоренных частей тележки - 0,15;
b=0,83 – коэффициент, учитывающий влияние числа осей в трехосной тележке;
V - расчетная скорость движения, м/с;
ст
ƒ - статический прогиб рессорного подвешивания, м.
Для груженого вагона статический прогиб рессорного комплекта трехосной тележки составляет 52 мм, а для порожнего только 10-12 мм, в связи с этим средний коэффициент вертикальной динамики  для груженого вагона составляет в 2,6 раза больше порожнего, следовательно динамические качества на порожнем режиме оказываются хуже, чем на груженом, и из-за малого статического прогиба рессорных комплектов на порожнем режиме возникает возможность обезгрузки колесных пар и риск схода вагонов с рельс.
Решаемой технической проблемой является неудовлетворительные динамические качества вагонов трехосных тележек в порожнем режиме, выраженные в частности в возможности возникновения обезгрузки колес вследствие малого прогиба рессорных комплектов под весом тары вагона, в результате чего возникает риск схода вагона с рельс.
Указанная техническая проблема решается увеличением статического прогиба рессорных комплектов на порожнем режиме за счет применения нелинейного рессорного подвешивания, состоящего из пружин разной высоты.
Технический результат заключается в улучшении ходовых качеств вагонов на трехосных тележках в порожнем режиме.
Внутренняя пружина исполняется выше чем наружная, поэтому в порожнем режиме надрессорная балка опирается только на внутренние пружины, и жесткость рессорного комплекта равна суммарной жесткости только внутренних пружин, а на груженом режиме опирание происходит на все пружины и жесткость рессорного подвешивания равна жесткости всех пружин.
1
ст
2
Отличием предлагаемого технического решения является выбор разницы высот наружной и внутренней пружин. Если при колебаниях порожнего вагона относительно положения равновесия будет происходить опирание надрессорной балки на наружные пружины, то возникнет дополнительные ускорения ухудшающие ходовые качества. Для предотвращения этого, разность высот пружин выбирается такой, чтобы с вероятностью 0,97 максимальное перемещение рессорного комплекта не превысило разность высот пружин. Кроме того, высоты внутренних пружин согласно ГОСТ 1452-2011 могут иметь отличия в прогибе под расчетной нагрузкой на величину Δ=0,015 (h-ƒ), а наружные могут отличаться по высоте на величину Δ=0,01h. Это приводит к условию выбора разности высот наружной и внутренней пружин в свободном состоянии:
ст.пор.
где ƒ - статический прогиб внутренних пружин под весом минимальной тары вагона;
дв
ст.пор.
К* ƒ - максимальный прогиб пружин при колебаниях вагона;
1
Δ - разница в прогибе внутренних пружин;
2
Δ - разница в прогибе наружных пружин.
Величина коэффициента динамики согласно формуле «Норм расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм» определяется по формуле:
где, β - параметр распределения, для порожних вагонов β=1,5;
дв
дв
Р(К) - вертикальная динамическая нагрузка Р(К)=0,97.
Рессорный комплект трехосной тележки включает восемь двухрядных пружин, из которых две пружины подклиновые и шесть пружин расположены под надрессорной балкой, наружные подклиновые пружины имеют диаметр прутка 17-22 мм, средний диаметр пружины 118-120 мм, внутренние подклиновые пружины имеют диаметр прутка 14-15 мм, средний диаметр пружины 79 мм, наружние пружины под надрессорной балкой имеют диаметр прутка 25 мм, средний диаметр пружины 115-117 мм, внутренние пружины под надрессорной балкой имеют диаметр прутка 14 мм, средний диаметр пружины 73 мм.
Высота наружных пружин, расположенных под надрессорной балкой и под клиньями, ниже внутренних. Таким образом, рессорное подвешивание имеет нелинейную силовую характеристику. При статическом прогибе 18-30 мм под тарой разность высот наружной и внутренней подклиновых пружин составляет не менее 5 и не более 51 мм, разность высот наружной и внутренней пружин под надрессорной балкой составляет не менее 35 и не более 51 мм.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в улучшении ходовых качеств вагонов на трехосных тележках в порожнем режиме.
Предлагаемая полезная модель поясняется графическим материалом:
пор.
гр
ст.пор
дв
ст.пор.
0
ст
1
2
ст.гр.
на фигуре 1 показано соотношение вертикальной силовой характеристики линейного и нелинейного рессорных комплектов, где вертикальная силовая характеристика нелинейного рессорного комплекта показана линией 1, вертикальная силовая характеристика линейного рессорного комплекта показана линией 2, нагрузка действующая на порожний рессорный комплект показана пунктирной линией и обозначена Р, нагрузка действующая на груженый рессорный комплект показана пунктирной линией и обозначена Р, статический прогиб внутренних пружин под весом минимальной тары вагона обозначен ƒ, максимальный прогиб пружин при колебаниях вагона К * ƒ обозначен Δ, разница в прогибе внутренних пружин согласно ГОСТ 1452-2011 равна 0,015 (h-f) и обозначена Δ, разница в прогибе наружных пружин согласно ГОСТ 1452-2011 равна 0,01h и обозначена Δ, статический прогиб рессорного подвешивания в груженом состоянии обозначен ƒ
на фигуре 2 показан общий вид трехосной тележки;
на фигуре 3 показан вид А фигуры 2;
на фигуре 4 показана разность высот наружной и внутренней пружин рессорного комплекта;
на фигуре 5 показаны вертикальные силовые характеристики в двух примерах исполнения нелинейного рессорного комплекта.
ст.пор.
дв
ст.пор.
Трехосная тележка с нелинейным рессорным комплектом (фиг. 2) содержит две крайние колесные пары 1, среднюю колесную пару 2, четыре нелинейных рессорных комплекта 3, два балансира 4, адаптеры балансира 5, адаптеры 6, две боковые рамы 7, две боковые рамы 8, две надрессорные балки 9, соединительную балку 10, центральный подпятник 13, буксовый узел 11, рессорный комплект 3, состоящий из винтовых пружин с клиновыми гасителями колебаний 12, боковые рамы 7 и боковые рамы 8, шарнирно соединенные посредством балансиров 4, опираются непосредственно не на буксы 11 крайних колесных пар 1, а на буксовый узел 11 средней колесной пары 2 через балансиры 4, при этом балансиры 4, установленные на буксовый узел 11 средней колесной пары 2, обеспечивают возможность поворота боковых рам 7 и 8 относительно продольной оси пути, за счет чего обеспечивается радиальная установка колесных пар, соединительная балка 10 опирается своими пятниками 14 (фиг. 3) на две надрессорные балки 9. Нелинейные рессорные комплекты 3 состоят из комплекта двухрядных витых пружин, включающего внутренние пружины 17 (фиг. 4) и наружные пружины 18, высота наружных пружин 18 ниже внутренних 17, при этом разность высот наружной пружины 18 и внутренней пружины 17 равна сумме прогибов ƒ внутренних пружин 17 под весом минимальной тары вагона, максимальных прогибов пружин при колебаниях вагона К * ƒ и величин допусков на отклонения статическом прогибе Δ1 внутренних пружин 17 и отклонения в высоте Δ2 наружных пружин 18.
Рессорный комплект трехосной тележки имеет нелинейную силовую характеристику (фиг. 5), и состоит из восьми пружин, включающих две подклиновые пружины и шесть пружин под надрессорной балкой.
На фигуре 5 показаны примеры вертикальных силовых характеристик двух восьмипружинных рессорных комплектов (5.1, 5.2), отличающихся параметрами пружин. Основные характеристики пружин рессорных комплектов указаны в таблице 1, 2 соответственно. Рессорные комплекты имеет кусочно-линейную характеристику с тремя точками перелома (четыре участка: 0-1, 1-2, 2-3, 3-4), обозначенными на графике. Координаты точек перелома характеристики по перемещению (прогибу подвешивания) соответствуют разности высот пружин подвешивания в свободном состоянии. Ноль на оси координат прогиба находится в начале деформации внутренней пружины, расположенной под надрессорной балкой.
Рессорный комплект, характеристика которого показана на первом графике (5.1), а параметры пружин в таблице 1, имеет расчетный прогиб для порожнего вагона 20 мм.
Рессорный комплект, характеристика которого показана на втором графике (5.2), а параметры пружин в таблице 2, аналогичный рессорному комплекту, приведенному в предыдущем примере, отличается характеристиками наружной и внутренней подклиновой пружины, а также средним диаметром витка наружной пружины, расположенной под надрессорной балкой, и имеет расчетный прогиб для порожнего вагона 25 мм.
В соответствии с формулой (2) разность высот наружной и внутренней подклиновых пружин рессорных комплектах, приведенных в примерах, составляет не 5 мм, а разность высот наружной и внутренней пружин под надрессорной балкой составляет не 35 мм.