тележка локомотива с управляемо-кинематической радиальной установкой колесных пар (варианты)

Формула изобретения

1. Тележка локомотива с управляемо-кинематической радиальной установкой колесных пар, содержащая раму, опирающуюся посредством упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания на буксы колесных пар, надрамник, опирающийся на упругие элементы второй ступени рессорного подвешивания и сочленяющийся с рамой тележки посредством консольных кронштейнов и наклонных поводков, шкворень и боковые опоры, отличающаяся тем, что рама тележки состоит из двух вилообразных частей, сочлененных вильчатыми концами в центре рамы с помощью верхнего и нижнего резинометаллических шарниров и стабилизаторов на шарнирах, а надрамник снабжен боковыми крайними и средними кронштейнами, при этом на крайних кронштейнах, расположенных над колесными парами, установлены упругие боковые упоры, соединенные с рамой тележки, а на средних кронштейнах надрамника расположены узлы переменной жесткости, которые посредством поводков связаны с подвижным центром рамы тележки.

2. Тележка по п.1, отличающаяся тем, что консольные кронштейны надрамника совмещены со средними кронштейнами.

3. Тележка локомотива с управляемо-кинематической радиальной установкой колесных пар, содержащая раму, опирающуюся посредством упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания на буксы колесных пар, надрамник, опирающийся на упругие элементы второй ступени рессорного подвешивания и сочленяющийся с рамой тележки посредством консольных кронштейнов и наклонных поводков, шкворень, боковые опоры, отличающаяся тем, что надрамник снабжен боковыми крайними и средними кронштейнами, при этом на крайних кронштейнах, расположенных над колесными парами, установлены упругие боковые упоры, соединенные с буксами, а на средних кронштейнах надрамника расположены узлы переменной жесткости, которые посредством поводков связаны с центром рамы тележки, кронштейны рамы тележки соединены с буксами посредством стабилизаторов-поводков, установленных наклонно в качестве боковых сторон трапеции, где нижнее основание трапеции-осевая линия, проходящая через шарниры кронштейнов поводков на буксах колесных пар, а верхнее основание трапеции-осевая линия, проходящая через шарниры кронштейнов поводков на раме тележки.

4. Тележка по п.3, отличающаяся тем, что консольные кронштейны надрамника совмещены со средними кронштейнами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспортному средству и касается конструкции тележек локомотива.

Известна двухосная тележка, которая содержит раму, одноступенчатое рессорное подвешивание, к корпусам букс, установленных с зазором, в челюстных проемах рамы тележки жестко крепятся поворотные рамки, использующиеся для радиальной установки колесных пар и передачи сил тяги через наличники-скользуны к поперечным балкам рамы тележки. Поворотные рамки соединяются шаровым шарниром, связанным с подпятником тележки, который, перемещаясь на маятниковой подвеске, перемещает шаровой шарнир поворотных рамок, осуществляя кинематическую радиальную установку колесных пар в кривой, зависящую только от величины центробежных сил (патент США №4729324, МКИ B 61 F 5/38).

Недостатками конструкции являются:

- увеличенные поперечные и продольные перемещения и некорректируемая в зависимости от скорости кинематическая радиальная установка колесных пар, что исключает использование тележки на повышенных скоростях в связи с безопасностью движения;

- отсутствие второго яруса рессорного подвешивания, что также исключает использование тележки на повышенных скоростях;

- низкий механический коэффициент использования сцепного веса;

- увеличенные продольные габариты тележки.

Известна тележка локомотива, содержащая раму, опирающуюся посредством упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания на буксы колесных пар, надрамник, опирающийся посредством упругих элементов второй ступени рессорного подвешивания на раму тележки и сочленяющуюся с ней посредством кронштейнов и наклонных поводков, боковые опоры и шкворень, посредством которых надрамник сочленяется с рамой локомотива (заявка №981031126/28(003703) от 24.02.98).

Недостатком данной конструкции является отсутствие радиальной установки колесных пар, поэтому при вписывании в кривые предельно малых радиусов углы набегания колесных пар на рельс даже при малой колесной базе могут быть значительными, зависящими от крутизны кривой и характера установки тележки, что приводит к повышенным износам гребней колесных пар и головок рельсов.

Техническим результатом изобретения являются улучшенные эксплуатационные характеристики тепловоза, т.е. создание экипажа, обеспечивающего минимизацию силового взаимодействия колеса и рельса во всем диапазоне работ универсального тепловоза - от маневровых работ в кривых с предельно малыми радиусами кривизны и слабым верхним строением пути до поездных работ со скоростями перспективных грузовых тепловозов:

- управляемо-кинематическая радиальная установка колесных пар в кривых в соответствии с радиусом кривизны пути, что совместно с минимальными моментами сопротивления вращению надрамника на боковых опорах относительно рамы локомотива обеспечит минимальные усилия на направляющие колесные пары при вписывании в кривые участки пути и, следовательно, снизит износы колеса и рельса и деформацию верхнего строения пути;

- надежность конструкции и безопасность движения во всем диапазоне скоростей;

- упрощенная система автоматического управления радиальной установкой колесных пар и минимальный расход воздуха;

- возможность отключения системы радиальной установки колесных пар при необходимости.

Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в тележке локомотива, содержащей раму, опирающуюся посредством упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания на буксы колесных пар, надрамник, опирающийся на упругие элементы второй ступени рессорного подвешивания и сочленяющийся с рамой тележки посредством консольных кронштейнов и наклонных поводков, шкворень и боковые опоры, рама тележки состоит из двух вилообразных частей, сочлененных вильчатыми концами в центре рамы с помощью верхнего и нижнего резинометаллических шарниров и стабилизаторов на шарнирах, а надрамник снабжен боковыми крайними и средними кронштейнами, при этом на крайних кронштейнах, расположенных над колесными парами, установлены упругие боковые упоры, соединенные с рамой тележки, а на средних кронштейнах надрамника расположены узлы переменной жесткости (УПЖ), которые посредством поводков связаны с подвижным центром рамы тележки, при этом функциональное назначение рамы тележки, кроме подвески консолей тяговых электродвигателей, которая осуществлена к надрамнику, и штатное крепление букс колесных пар к раме тележки, полностью сохраняется.

Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в тележке локомотива, содержащей раму, опирающуюся посредством упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания на буксы колесных пар, надрамник, опирающийся на упругие элементы второй ступени рессорного подвешивания и сочленяющийся с рамой тележки посредством консольных кронштейнов и наклонных поводков, шкворень, боковые опоры, надрамник снабжен боковыми крайними и средними кронштейнами, при этом на крайних кронштейнах, расположенных над колесными парами, установлены упругие боковые упоры, соединенные с буксами, а на средних кронштейнах надрамника расположены узлы переменной жесткости, которые посредством поводков связаны с центром рамы тележки, кронштейны рамы тележки соединены с буксами посредством стабилизаторов-поводков, установленных в качестве боковых сторон трапеции, где нижнее основание трапеции - осевая линия, проходящая через шарниры кронштейнов поводков на буксах колесных пар, а верхнее основание трапеции - осевая линия, проходящая через шарниры кронштейнов поводков на раме тележки.

Центробежная сила является функцией двух переменных: скорости движения и радиуса кривой, поэтому, регламентируя влияние одной переменной, можно выделить влияние другой переменной.

Предлагаемый интегральный механизм регламентирует (нейтрализует) квадратичную зависимость центробежной силы от скорости и выделяет влияние на нее радиуса кривой, что позволяет осуществлять установку колесных пар соответственно кривизне пути, т.е. при плавном или дискретном изменении жесткости УПЖ создаются условия для установки колесных пар для каждой кривой в отдельности или семейства кривых соответственно.

Созданная система может быть оборудована и для активной установки колесных пар в кривой, для чего нужно только установить взамен УПЖ пневмопривод или гидропривод и систему управления, что потребует существенных расходов при изготовлении и эксплуатации, а также снизит надежность системы в целом.

Предлагаемая избирательная система позволяет осуществить управляемо-кинематическую радиальную установку колесных пар соответственно радиусу кривой, обеспечивая нулевые углы набегания колесных пар при изменении жесткости УПЖ (как вариант - оболочковые пневморессоры) в зависимости от скорости, что достигается при минимизированных расходах воздуха и упрощенной системе автоматики.

УПЖ - узел, жесткость которого изменяется в зависимости от скорости. Зависимость - обратноквадратичная: малая скорость - большая жесткость, большая скорость - меньшая жесткость. Конструктивное исполнение может быть различным: механическим, гидравлическим или пневматическим.

Наиболее приемлимым и технологичным для поездной службы является пневматическое исполнение, т.е. когда центр рамы тележки посредством поводков, расположенных вдоль поперечной оси экипажа, фиксируется относительно надрамника двумя оболочковыми пневморессорами, установленными на кронштейны.

При этом, в случае, когда полости пневморессор открыты, смещение центра рамы тележки относительно надрамника, приводящее к изменению объемов полостей пневморессор, не будет вызывать силового взаимодействия в этом узле. т.е. жесткость УПЖ практически нулевая.

В случае, когда полости пневморессор изолированы от окружающей среды и друг от друга, смещение центра рамы тележки относительно надрамника, приводящее к пропорциональному уменьшению и увеличению объемов полостей пневморессор, будет приводить ориентировочно к пропорциональному увеличению и уменьшению соответственно давления в полостях пневморессор, что вызывает силовое взаимодействие в этом узле, зависящее от величины смещения, но при этом, чем выше начальное (исходное) давление в полостях пневморессор, тем выше уровень силовых взаимодействий (пропорционально увеличению исходного давления) в этом узле при тех же смещениях центра рамы тележки относительно надрамника, т.е. жесткость УПЖ возрастает с увеличением начального (исходного) давления в полостях пневморессор, жесткостью УПЖ можно управлять изменением начального (исходного) давления в полостях пневморессор.

В случае дискретного изменения жесткости УПЖ величина и количество промежуточных значений может выбираться в зависимости от конкретных условий.

При отключении системы управляемо-кинематической радиальной установки колесных пар экипаж может эксплуатироваться без ограничений.

Форма частей рамы тележки обосновывается удобством расположения упругих элементов обеих ступеней рессорного подвешивания, а также возможностью взаимного углового перемещения частей рамы тележки.

Наличие верхнего и нижнего шарниров, сочленяющих части рамы тележки, обусловлено необходимостью сохранить высокий коэффициент использования сцепного веса локомотива, т.е. сохранить продольно-вертикальную жесткость рамы тележки, что необходимо для выполнения функциональной роли наклонных поводков.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и фиг.3 даны общие виды тележек по варианту 1, на фиг.2 и фиг.4 - виды сверху по варианту 1, на фиг.5 и фиг.7 - общие виды тележек по варианту 2, фиг.6 и фиг.8 - виды сверху по варианту 2.

Тележка (по варианту 1) содержит раму 1, части которой сочленены при помощи резинометаллических шарниров 2, опирающуюся посредством упругих элементов 3 первой ступени рессорного подвешивания на буксы 4 колесных пар 5, надрамник 6, опирающийся на упругие элементы 7 второй ступени рессорного подвешивания, боковые опоры 8 и шкворень 9, при помощи которого надрамник 6 сочленяется с рамой локомотива 10, консольные кронштейны 11 надрамника 6 и поводки 12, посредством которых надрамник 6 сочленяется с рамой 1 тележки, поводки 13 подвески тяговых электродвигателей 14 к надрамнику 6, УПЖ 15, установленные на кронштейны 16 и сочлененные посредством поводков 17 с подвижным центром рамы 1. Боковины рамы 1 сочленены стабилизаторами 18. Упругие упоры 19 ограничивают поперечное смещение надрамника 6 относительно рамы 1. Отличие тележки на фиг.3 состоит в совмещении консольных кронштейнов 11с кронштейнами 16 в середине надрамника.

Тележка (по варианту 2) содержит раму 1, сочлененную с одноповодковыми буксами 2 посредством кронштейнов 3 и стабилизаторов-поводков 4, опирающуюся посредством упругих элементов 5 первой ступени рессорного подвешивания на буксы 2 колесных пар 6, надрамник 7, опирающийся на упругие элементы 8 второй ступени рессорного подвешивания, боковые опоры 9 и шкворень 10, при помощи которого надрамник 7 сочленяется с рамой локомотива 11, консольные кронштейны 12 надрамника 7 и поводки 13, посредством которых надрамник 7 сочленяется с рамой 1 тележки, поводки 14 подвески тяговых электродвигателей 15 к надрамнику 7, УПЖ 16, установленные на кронштейны 17 и сочлененные посредством поводков 18 с центральной частью рамы тележки. Упругие упоры 19 ограничивают поперечное смещение надрамника 7 относительно колесных пар 6.

Отличие тележки на фиг.7 от тележки на фиг.5 состоит в совмещении консольных кронштейнов 12 с кронштейнами 17 в середине надрамника.

Работа тележек с управляемо-кинематической радиальной установкой колесных пар осуществляется для тележек с подвижным центром рамы (фиг. 1-4) следующим образом.

В диапазоне малых скоростей, что может иметь место при трогании с места, движении по тракционным путям или маневровой работе, что, как правило, может сопутствовать вписыванию в кривые малых радиусов, алгоритм автоматического управления системой УПЖ должен обеспечить максимальный уровень давлений в полостях пневморессор 15, изменяющийся плавно или дискретно с обратноквадратичной зависимостью от скорости движения.

При вписывании в кривые возникающие центробежные силы от надрессорного строения локомотива (пропорциональные массе, квадрату скорости, обратнопропорциональные радиусу кривизны) воздействуют посредством шкворня 9 на надрамник 6, далее силовое воздействие распределяется по трем параллельным ветвям: одна - пружины 7, подвижные части рамы 1, упругие элементы 3, буксы с буксовыми поводками 4, колесные пары 5 и рельс; вторая - упругие упоры 19, подвижные части рамы 1, упругие элементы 3, буксы 4, колесные пары 5 и рельс.

Обе ветви силового воздействия действуют симметрично относительно каждой из колесных пар и существенных изгибающих моментов, способных самостоятельно деформировать раму тележки, удерживаемую упругими элементами 3 и 7 обоих ступеней рессорного подвешивания и стабилизаторами 18, не вызывают.

Третья ветвь силового воздействия - кронштейны 16, УПЖ 15, поводки 17, подвижной центр рамы тележки с шарнирами 2 и далее упругие элементы 3, буксы с буксовыми поводками 4, колесные пары 5, рельс, но при этом на раме тележки, как на балке на двух опорах, где опоры - гребни колесных пар и боковая поверхность головок рельс, возникает максимально возможный изгибающий момент, абсолютная величина которого тем больше, чем выше жесткость УПЖ 15, т.е. чем большую часть центробежной силы воспримет третья ветвь силового воздействия.

В результате на исполнительную систему, состоящую из подвижных относительно друг друга частей рамы тележки 1, упругих элементов 3, 7, 18 с подобранными упругими характеристиками и колесных пар 5, воздействует изгибающий момент, соответствующий кривым малых радиусов, который поворачивает подвижные части рамы тележки на угол, соответствующий каждой отдельной кривой или семейству кривых (зависит от характера изменения жесткости УПЖ), что обеспечивает радиальную установку колесных пар в кривых участках пути.

В диапазоне повышенных скоростей, что имеет место при движении в прямых участках пути или кривых больших радиусов, алгоритм автоматического управления системой УПЖ должен обеспечить низкий уровень давлений в полостях пневморессор, изменяющейся по тем же законам, как и при максимальных уровнях давлений, вплоть до открытия полостей пневморессор в окружающую среду.

При этом центробежные силы будут в основном распределяться на первые две ветви силового воздействия, третья ветвь силового воздействия будет нагружаться пропорционально изменению жесткости УПЖ, соответственно этому будет нагружаться исполнительная система, которая будет устанавливать или незначительные углы между подвижными частями рамы тележки, или вообще не деформировать раму тележки.

Безопасность движения на повышенных скоростях обеспечивается продольной и поперечной жесткостью рамы тележки 1, ее элементов 3, 7, 19, включая преднатяг стабилизаторов 18, и слабым воздействием центробежной силы от надрессорного строения на подвижной центр рамы тележки, а также штатным креплением букс колесных пар к раме тележки.

Работа тележки с жестким центром рамы (фиг. 5-8) во многом аналогична работе тележек с подвижным центром рамы и осуществляется следующим образом.

При вписывании в кривые центробежные силы воздействуют посредством шкворня 10 на надрамник 7, далее силовое воздействие распределяется по трем параллельным ветвям.

Одна ветвь - упругие упоры 19, буксы 2, колесные пары 6 и рельс. Эта ветвь силового воздействия действует непосредственно на колесную пару, минуя раму тележки, характеристика упругих упоров 19 нелинейна.

Вторая ветвь - упругие элементы 8, рама 1, кронштейны 3 и стабилизаторы-поводки 4 - параллельно им упругие элементы 5, далее букса 2, колесные пары 6, рельс, причем во второй ветви имеется местное раздвоение силового потока между стабилизаторами-поводками 4 и упругими элементами 5 пропорционально поперечной жесткости.

Третья ветвь - кронштейны 17, УПЖ 16, рама 1 и далее, как во второй ветви силового воздействия.

Нагружение третьей ветви силового воздействия осуществляется аналогично тележке с подвижным центром рамы, пропорционально жесткости УПЖ 16.

Исполнительная система выполнена из двухшарнирных стабилизаторов-поводков 4 с набором самодемпфируемых упругих элементов двухстороннего действия с преднатягом, установленных наклонно в качестве боковых сторон трапеции, нижнее основание которой - осевая линия а (см. фиг.6, 8), проходящая через шарниры кронштейнов поводков на буксах 2 колесных пар 6, а верхнее основание - осевая линия б (см. фиг.6, 8), проходящая через шарниры кронштейнов поводков на раме тележки 3. При поперечном смещении под действием изгибающего момента за счет осевой деформации поводков обеспечивается угловое перемещение колесной паре.

В результате суммарного силового воздействия второй и третьей ветви на исполнительную систему, за вычетом усилия воспринятого упругими элементами 5, действует переменный изгибающий момент, который деформирует исполнительную систему на угол, обеспечивающий радиальную установку колесных пар 6 в кривых участках пути.

При движении в кривых больших радиусов и прямых участках пути третья ветвь силового воздействия, нагружаемая пропорционально жесткости УПЖ 16, нагружена слабо или вообще не нагружена, центробежная сила распределяется между первыми двумя ветвями силового воздействия, причем основную часть нагрузки воспринимает первая ветвь в связи с нелинейной характеристикой упругих упоров 19, вторая ветвь воспринимает нагрузку пропорционально поперечной линейной жесткости упругих элементов 8, при этом на исполнительную систему, за вычетом усилий, воспринятых упругими элементами 5, действует изгибающий момент, который деформирует исполнительную систему на незначительные углы или вообще не деформирует.

Безопасность движения на повышенных скоростях обеспечивается продольной и поперечной жесткостью самой тележки, ее элементов 5 и 8, слабым воздействием центробежной силы от надрессорного строения на раму тележки 1, а также способностью исполнительной системы 3, 4, 6, не деформируясь существенно, воспринять тягово-тормозные усилия и усилия от второй ветви силового воздействия, т.е. достаточным преднатягом стабилизаторов-поводков 4.

Тележки предлагаемого конструктивного исполнения предназначены для формирования экипажа универсального тепловоза, позволяют при минимальном силовом взаимодействии колеса и рельса обеспечить высокие тяговые свойства, способны выполнять маневровую работу в кривых предельно малых радиусов со слабым верхним строением путей и поездную работу с установленными для перспективных магистральных тепловозов скоростями.