тележка железнодорожного транспортного средства

Формула изобретения

1. Безрамная тележка железнодорожного транспортного средства, содержащая две колесные пары с буксами, пружины рессорного подвешивания, установленные на буксы, имеющая связи, соединяющие колесные пары между собой, отличающаяся тем, что между упорными кронштейнами, которыми снабжены буксы, шарнирно установлены стержни таким образом, что их оси не пересекаются с осями колесных пар, а пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы, смещены относительно вертикальных плоскостей, проходящих через оси колесных пар, на величину



где x - необходимое продольное смещение буксы в кривой;

r - расстояние между осью колесной пары и ближайшим шарниром стрежня;

b - горизонтальное расстояние между осью колесной пары и ближайшими шарниром стержня;

Н - вертикальное расстояние между опорой пружин рессорного подвешивания на буксы и осями колесных пар;

Р - вертикальная нагрузка от центробежной силы на пружины рессорного подвешивания, опирающимися на буксы;

П - усилия в стержнях от вертикальной нагрузки Р.

2. Безрамная тележка железнодорожного транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что стержни снабжены натяжными устройствами.

3. Безрамная тележка железнодорожного транспортного средства по п.1 или 2, отличающаяся тем, что связи соединяют колесные пары между собой в серединной продольной плоскости шарнирами, обеспечивающими поворачиваемость крайних колесных пар относительно вертикальной и продольной осей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к вагонам, тепловозам, электровозам, и касается конструкции устройств, предназначенных для обеспечения радиальной установки осей колесных пар тележек железнодорожных транспортных средств при их движении в кривых.

Известна безрамная тележка железнодорожного транспортного средства швейцарской фирмы "Swiss Lokomotive & Machine Works", содержащая две колесные пары с буксами, пружины рессорного подвешивания, установленные на буксы, связи, соединяющие колесные пары между собой, в которой для достижения радиальной установки осей колесных пар используется принцип пассивного самоориентирования осей колесных пар по радиусу кривой, заключающийся в том, что поверхности катания колес имеют псевдоконический профиль и при поперечном смещении колесной пары наружное колесо устанавливается на больший диаметр, а внутреннее на меньший, что и приводит к установке оси по радиусу, а обе колесные пары соединены механизмом связи, обеспечивающим вращение осей в горизонтальной плоскости в противоположных направлениях (журнал: "Железные дороги мира", 3, 1998 г., стр.42-45).

Недостатками такой конструкции являются случайный, нестабильный характер радиальной установки осей, обусловленный тем, что в этой конструкции он является результатом действия суммы случайных факторов, действующих в системе колесо-рельс, как способствующих установке оси по радиусу, так и противодействующих ей, в том числе: центробежная сила, способствующая перемещению наружного колеса на больший диаметр, значительно меньше поперечной силы трения колеса о рельс, противодействующей такому перемещению, кроме того, при превышении этой силы суммой центробежной и рамной сил, возникает боковое давление гребня бандажа на рельс, которое в свою очередь создает повышенное сопротивление движению и приводит к повышенному износу гребня бандажа и рельса, а при изношенных бандажах и рельсах псевдоконический профиль может и отсутствовать и в этом случае радиальная установка осей колесных пар вообще не произойдет. Конструкция не создает стабильного момента для обеспечения поворота осей колесных пар относительно шарнира в разные стороны, а центробежная сила вообще создает момент относительно шарнира, препятствующий радиальной установке осей колесных пар.

Техническим результатом изобретения является поворот в горизонтальной плоскости в противоположные стороны колесных пар относительно вертикальных осей при движении в кривой и автоматическая установка осей этих колесных пар по направлениям радиусов кривой, что приводит к снижению бокового давления гребней колес на рельс, сопротивления движению железнодорожного транспортного средства в кривой, износа гребней, расхода топлива, увеличению срока службы колесных пар.

Технический результат достигается тем, что в безрамной тележке железнодорожного транспортного средства, содержащей две колесные пары с буксами, пружины рессорного подвешивания, установленные на буксы, имеющие связи, соединяющие колесные пары между собой, между упорными кронштейнами, которыми снабжены буксы, шарнирно установлены стержни таким образом, что их оси не пересекаются с осями колесных пар, а пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы, смещены относительно вертикальных плоскостей, проходящих через оси колесных пар, на величину:



где х - необходимое продольное смещение буксы в кривой;

r - расстояние между осью колесной пары и ближайшим шарниром стержня;

b - горизонтальное расстояние между осью колесной пары и ближайшим шарниром стержня;

Н - вертикальное расстояние между опорой пружин рессорного подвешивания на буксы и осями колесных пар;

Р - вертикальная нагрузка от центробежной силы на пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы;

П - усилия в стержнях от вертикальной нагрузки Р;

кроме того, стержни снабжены натяжными устройствами, а связи соединяют колесные пары между собой в срединной продольной плоскости шарнирами, обеспечивающими поворачиваемость колесных пар относительно вертикальной и продольной осей.

Такое выполнение безрамной тележки железнодорожного транспортного средства и, в частности, установка шарнирно стержней между упорными кронштейнами, которыми снабжены буксы, таким образом, что их оси не пересекаются с осями колесных пар, смещение пружин рессорного подвешивания, опирающихся на буксы, относительно вертикальных плоскостей, проходящих через оси колесных пар, на величину:



где х - необходимое продольное смещение буксы в кривой;

r - расстояние между осью колесной пары и ближайшим шарниром стержня;

b - горизонтальное расстояние между осью колесной пары и ближайшим шарниром стержня;

Н - вертикальное расстояние между опорой пружин рессорного подвешивания на буксы и осями колесных пар;

Р - вертикальная нагрузка от центробежной силы на пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы;

П - усилия в стержнях от вертикальной нагрузки Р;

кроме того, снабжение стержней натяжными устройствами и соединение связями колесных пар между собой в срединной продольной плоскости шарнирами, обеспечивающими поворачиваемость колесных пар относительно вертикальной и продольной осей, при движении в кривой приводит к повороту в горизонтальной плоскости в противоположные стороны осей колесных пар относительно вертикальных осей и автоматической установке осей этих колесных пар по направлениям радиусов кривой, что приводит к снижению бокового давления гребней колес на рельс, сопротивления движению железнодорожного транспортного средства в кривой, износа гребней, расхода топлива, увеличению срока службы колесных пар.

Предлагаемая безрамная тележка железнодорожного транспортного средства представлена на чертежах, где:

на фиг. 1 изображена безрамная тележка железнодорожного транспортного средства, общий вид;

на фиг.2 изображен вид сверху на фиг.1.

на фиг. 3 изображена безрамная тележка железнодорожного транспортного средства, общий вид;

на фиг.4 изображен вид сверху на фиг.1.

на фиг. 5 изображена расчетная схема безрамной тележки железнодорожного транспортного средства.

Безрамная тележка железнодорожного транспортного средства (фиг.1-4) состоит из колесных пар 1 и 2, букс 3 и 4 с упорными кронштейнами 5 и 6, пружин рессорного подвешивания 7 и 8, стержней 9 с шарнирами 10, связей 11 с шарнирами 12, натяжных устройств 13.

Как видно из расчетной схемы, приведенной на фиг.5, математическая формула, связывающая основные конструктивные параметры устройства получена как результат теоретического исследования двухмерной расчетной схемы (двухмерной математической модели). В математической модели буксы с упорными кронштейнами, а также соединяющие их шарнирные стержни приняты абсолютно жесткими, а сопротивление колеса перекатыванию равным 0.

Условия равновесия колеса с буксой, пружинами и шарнирным стержнем, как половины симметричной расчетной схемы, могут быть описаны условиями:

Xi=0 (1)

Yi=0 (2)

Mo(Pi)=(xiYi-yiXi)=0 (3)

где Xi; Yi - проекции сил на оси координат;

xi; yi - координаты точек приложения сил.

Уравнение (1) дает соотношение:

Q-П=0 (4),

что говорит о том, что силы сопротивления продольному перемещению колеса Q равны усилию в стержне П от вертикальной нагрузки Р.

Уравнение (2) дает соотношение:

R-Р=0,т.е. R=P (5),

что говорит о том, что вертикальная опорная реакция колеса R равна вертикальной нагрузке от центробежной силы на пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы Р.

Из расчетной схемы очевидно, что наиболее удобной точкой для составления уравнения моментов по выражению (3) является точка O₂, являющаяся точкой пересечения линий действия вертикальной реакции колеса R и горизонтальной силы сопротивления продольному перемещению колеса Q, так как в этом случае моменты этих сил относительно точки O₂ равны нулю и уравнение (3) принимает вид:

Р(с+х)-П(у-Н)=0 (6),

где расстояние по вертикали от шарнирного стержня до оси колеса может быть определено из треугольника O₁А₂В по выражению:



подставляя (7) в (6), получим:



решая (8) относительно с получим:



Кроме ограничений, указанных выше, при выводе формулы вертикальное перемещение точки опоры пружин на буксу (точка Ц на расчетной схеме) не учитывалось, как величина второго порядка малости.

Кроме того, из формулы очевидно и другое ограничение: должно быть выдержано условие: r²>(b+х)².

Также очевидным является то обстоятельство, что, если силы сопротивления продольному перемещению колеса Q формируются только буксовыми пружинами, т. е. если Q=C_пх₁ (10), то поперечная жесткость пружин рессорного подвешивания, опирающихся на буксы, может быть определена из (10) с учетом (4) по выражению: С_п= П/х₁ (11), или, если параметры буксовых пружин уже окончательно выбраны, параметр П может быть выведен из матрицы неизвестных параметров путем его определения из выражения (4) с учетом (10) по выражению:

П=C_пх₁ (12),

где С_п - поперечная жесткость пружин рессорного подвешивания, опирающихся на буксы;

X₁ - продольное перемещение основания пружин под действием нагрузки Р (перемещение точки Ц на расчетной схеме).

Аналогичным образом, рассматривая схему по фиг.3 (пружины смещены наружу базы тележки), получим:



Объединяя обе формулы в одну ((9) и (13)), получим математическую формулу, приведенную в независимом пункте формулы изобретения:



Где знак применяется при смещении пружин внутрь базы тележки и при смещении пружин наружу базы тележки соответственно.

Таким образом, формула связывает основные параметры устройства и не затрагивает параметры конкретного железнодорожного транспортного средства, влияющие на величину вертикальной нагрузки от центробежной силы на пружины рессорного подвешивания, опирающиеся на буксы Р и проектную величину смещения буксы х (проектировщику конкретного транспортного средства предоставляется полная свобода действий по их выбору).

Безрамная тележка железнодорожного транспортного средства работает следующим образом: вес железнодорожного транспортного средства передается на колесные пары 1 и 2 через буксы 3 и 4 пружинами рессорного подвешивания 7 и 8, смещенными относительно вертикальных плоскостей, проходящих через оси этих колесных пар на величину с. За счет этого смещения сила веса на буксах 3 и 4 колесных пар 2 и 3 создает моменты, которые уравновешиваются в стержнях 9 создаваемыми при монтаже за счет пружин рессорного подвешивания или натяжными устройствами 13, а колесные пары 1 и 2 при этом устанавливаются в положение динамического равновесия. При движении железнодорожного транспортного средства в кривой на его кузов и тележки начинают действовать центробежные силы, которые на пружинах рессорного подвешивания создают пары вертикальных сил, которые с наружной стороны кривой их донагружают, а с внутренней стороны кривой частично разгружают. При этом от сил на буксах 3 и 4 колесных пар 1 и 2 возникают дополнительные неуравновешенные моменты, направленные в разные стороны с наружной и внутренней сторон кривой, которые выводят колесные пары 1 и 2 из состояния динамического равновесия. Под действием этих моментов буксы 3 и 4 начнут поворачиваться относительно осей соответствующих колесных пар до тех пор, пока создаваемые ими дополнительные усилия в стержнях 9 уравновесят эти моменты. При повороте букс шарниры 10 стержней 9 начнут перемещаться вниз или вверх, что в свою очередь вызовет горизонтальное перемещение букс колесных пар в противоположных направлениях. Горизонтальные перемещения букс 3 и 4 колесных пар 1 и 2 в противоположных направлениях и приводят к автоматической установке осей колесных пар по направлениям радиусов этой кривой. В результате при движении железнодорожного транспортного средства в кривой снижается боковое давление гребней колес на рельсы, сопротивление движению, износ гребней, расход топлива и увеличивается срок службы колесных пар. При выходе железнодорожного транспортного средства из кривой центробежные силы и дополнительные вертикальные пары сил исчезают и оси колесных пар автоматически возвращаются в прежнее состояние динамического равновесия.