пневматическая рессора рельсового транспортного средства

Формула изобретения

1. Пневматическая рессора рельсового транспортного средства, содержащая цилиндр с размещенным в нем поршнем со штоком, надпоршневая полость цилиндра сообщена с дополнительным резервуаром через его дроссельный канал, в котором размещен саморегулируемый дроссельный элемент с возможностью перемещения в нем, отличающаяся тем, что цилиндр выполнен в виде пневмоцилиндра, надпоршневая воздушная полость которого соединена через саморегулируемый дроссельный элемент и гибкий шланг с дополнительным резервуаром, саморегулируемый дроссельный элемент выполнен в виде двух усеченных конусов, обращенных основаниями с большим диаметром друг к другу, рессора снабжена также масляным резервуаром, верхняя воздушная полость которого соединена трубой через редукционный клапан с дополнительным резервуаром, а нижняя масляная полость масляного резервуара соединена гибким шлангом со штуцером на нижнем наружном конце штока, между верхними и нижними уплотнительными манжетами на поршне выполнена кольцевая канавка, которая посредством радиального канала соединена со штуцером на нижнем наружном конце штока, при этом дополнительный резервуар снабжен электронагревательным элементом, установленным внутри его полости и теплоизолированным от внешней среды.

2. Пневматическая рессора по п.1, отличающаяся тем, что саморегулируемый дроссельный элемент установлен на направляющем стержне, закрепленном одним концом в глухом отверстии полого штока, с возможностью продольного перемещения на нем между упорами, причем один упор выполнен непосредственно на направляющем стержне, а второй упор выполнен на гайке, расположенной на втором конце направляющего стержня.

3. Пневматическая рессора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электронагревательный элемент дополнительного резервуара выполнен пленочным с большой площадью контакта со сжатым в дополнительном резервуаре воздухом.

4. Пневматическая рессора по п.1, отличающаяся тем, что она уперта в кузов посредством резинометаллической прокладки и витой пружины, охватывающей пневмоцилиндр снаружи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к пневматическим рессорам рельсовых транспортных средств, используемых между их кузовом и тележкой во второй ступени ее подвешивания.

Известен пневматический упругий элемент, содержащий резинокордную оболочку, образующую вместе с металлической арматурой газовую камеру переменного объема, внутри которой помещена постоянная по объему заполненная жидкостью буферная камера, камеру дополнительного резервуара, которая соединена с газовой камерой переменного объема трубопроводом с расположенным в центре пневморессоры регулируемым дроссельным каналом, в спрофилированном отверстии которого помещен направляющий стержень с двухконусной втулкой, перемещающейся вдоль стержня между упорами [1].

Недостатком такого упругого элемента являются большие габаритные размеры и невысокая несущая способность из-за невозможности использовать высокое давление газа по условиям ограниченной прочности резинокордной оболочки. Разместить такую пневморессору в современной тележке транспортного средства становится затруднительно.

Известна гидропневматическая рессора рельсового транспортного средства, принятая за прототип, содержащая гидроцилиндр, размещенные в нем поршень со штоком, сообщенный с надпоршневой полостью гидроцилиндра, гидропневмоаккумулятор, выполняющий роль дополнительного резервуара, с упругой диафрагмой, отделяющей жидкость от газа, снабженной клапанным узлом и узлом измерения положения золотников, поддиафрагменная жидкостная полость гидропневмоаккумулятора сообщена с надпоршневой полостью гидроцилиндра посредством дроссельного канала, гидропневмоаккумулятор имеет жесткую перегородку с дроссельным каналом, установленную с возможностью раздела газовой полости на две камеры, и золотниковый узел, состоящий из трех частей, из которых средняя фланцевая часть закреплена на упругой диафрагме по оси ее перемещения, нижняя часть выполнена в виде первого золотника (саморегулируемого дроссельного элемента), спрофилированного в виде двух обращенных вершинами друг к другу конусов, установленного с возможностью перемещения в дроссельном канале между гидропневмоаккумулятором и гидроцилиндром, а верхняя часть выполнена в виде стержня с упорами и установленного между упорами стержня с возможностью перемещения вдоль его оси второго золотника в виде двух обращенных вершинами наружу конусов, установленного с возможностью перемещения в дроссельном канале жесткой перегородки, причем конец стержня верхней части золотникового узла электромагнитно связан с электрической обмоткой катушки узла измерения положения золотников относительно дроссельных каналов, а клапанный узел установлен в дроссельном канале, сообщающем поддиафрагменную жидкостную камеру гидропневмоаккумулятора (дополнительного резервуара) с надпоршневой полостью гидроцилиндра, и предназначен для отключения упругой части рессоры [2].

Недостатком данной гидропневматической рессоры рельсового транспортного средства является ее громоздкость, недостаточные несущая способность (грузоподъемность) и надежность, сложность регулировки положения поршня в цилиндре, т.к. из-за утечки масла, которое выполняет лишь роль передаточного звена, приходится периодически дозированно пополнять его массу в надпоршневой полости и, кроме того, регулировать давление газа в гидропневмоаккумуляторе при изменении статической нагрузки кузова. Кроме того, как показывает опыт эксплуатации подобных систем, технический ресурс гибкой резиновой диафрагмы ограничен. Ее часто приходится заменять.

Техническим результатом изобретения является повышение несущей способности (грузоподъемности) пневматической рессоры за счет повышения давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре и сокращения при этом его габаритов, возможности размещения отдельных частей рессоры в тележке, упрощение регулировки положения поршня в пневмоцилиндре путем изменения давления сжатого воздуха в пневморессоре тепловым методом в сочетании с подпиткой дополнительного резервуара сжатым воздухом через электропневматический клапан, повышение надежности и технического ресурса работы пневморессоры по сравнению с гидропневматической рессорой, так как предлагаемая рессора не содержит резиновой диафрагмы и обеспечивает хорошую смазку стенок пневмоцилиндра и поршня.

Указанный технический результат достигается тем, что в пневматической рессоре рельсового транспортного средства, содержащей цилиндр с размещенным в нем поршнем со штоком, надпоршневая полость цилиндра сообщена с дополнительным резервуаром через его дроссельный канал, в котором размещен саморегулируемый дроссельный элемент с возможностью перемещения в нем, цилиндр выполнен в виде пневмоцилиндра, надпоршневая воздушная полость которого соединена через саморегулируемый дроссельный элемент и гибкий шланг с дополнительным резервуаром, дроссельный элемент выполнен в виде двух конусов, обращенных основаниями с большим диаметром к короткому цилиндру, рессора снабжена также масляным резервуаром, верхняя воздушная полость которого соединена трубой через редукционный клапан с дополнительным резервуаром, а нижняя масляная полость масляного резервуара соединена гибким шлангом со штуцером на нижнем наружном конце штока, между верхними и нижними уплотнительными манжетами на поршне выполнена кольцевая канавка, которая посредством радиального канала соединена со штуцером на нижнем конце штока, при этом дополнительный резервуар снабжен электронагревательным элементом, установленным внутри его полости, и он теплоизолирован от внешней среды. Кроме того, саморегулируемый дроссельный элемент установлен на направляющем стержне, закрепленном одним концом в глухом отверстии полого штока, с возможностью продольного перемещения на нем между упорами, причем один упор выполнен непосредственно на направляющем стержне, а второй упор выполнен на гайке, расположенной на втором конце направляющего стержня, электронагревательный элемент дополнительного резервуара выполнен пленочным с большой площадью контакта со сжатым в дополнительном резервуаре воздухом, при этом пневморессора уперта в кузов посредством резинометаллической прокладки и витой пружины, охватывающей пневмоцилиндр снаружи.

На фиг.1 показана схема пневматической рессоры применительно ко второй ступени подвешивания тележки рельсового транспортного средства, на фиг.2 показан пневмоцилиндр в разрезе, на фиг.3 показан дополнительный резервуар в разрезе.

Пневматическая рессора рельсового транспортного средства содержит пневмоцилиндр 1 (фиг.1), у которого наружный конец полого внутри штока 2 упирается в раму 3 тележки, пневмоцилиндр 1 посредством витой пружины 4, охватывающей пневмоцилиндр снаружи, и резинометаллической прокладки 5 упирается в кузов 6. Пневмоцилиндр 1 соединен гибким шлангом 7 с дополнительным резервуаром 8, к которому подведен посредством трубки 9 и электропневматического клапана 10 сжатый воздух высокого давления из баллона 11. Последний пополняется сжатым воздухом высокого давления от специального компрессора (на фиг.1 не показан), на локомотиве может быть использован тормозной компрессор высокого давления малой производительности типа КП50. К дополнительному резервуару 8 подведена также электроэнергия по кабелю 12 через бесконтактный тиристорный выключатель 13. Пневматическая рессора снабжена также масляным резервуаром 14, нижняя масляная полость 15 которого соединена гибким шлангом 16 со штуцером 17 на наружном конце полого штока 2, а верхняя воздушная полость 18 масляного резервуара 14 соединена через редукционный клапан 19 трубой 20 с дополнительным резервуаром 8. Масляный резервуар 14 может периодически пополняться маслом через пробку 21.

Между рамой 3 тележки и кузовом 6 установлено измерительное устройство 22, связанное с бортовым микропроцессором (на фиг.1 не показан).

Внутри пневмоцилиндра 1 (см. фиг.2) размещен поршень 23, выполненный заодно с полым штоком 2, в верхней части которого расположено глухое отверстие 24, а нижний конец выходит наружу через бронзовое направляющее кольцо 25 и уплотняющую манжету 26, поджатую к крышке 27 посредством фланца 28 и болтов 29. Крышка 27 крепится к пневмоцилиндру 1 посредством резьбового соединения, застопоренного винтом 30 и уплотненного прокладкой 31. Для отвода просочившегося масла из подпоршневой полости 32 пневмоцилиндра 1 к крышке 27 привинчен штуцер 33, к которому присоединен гибкий шланг 34, закрепленный на штуцере 33 хомутиком 35.

Поршень 23 снабжен уплотнительными манжетами 36, четыре верхние из которых закреплены на нем посредством проставочного кольца 37, фланца 38 и болтов 39, а две нижние уплотнительных манжеты 36 закреплены на поршне 23 круглой гайкой 40. Между четырьмя верхними уплотнительными манжетами 36 и двумя нижними уплотнительными манжетами 36 на поршне 23 выполнена кольцевая канавка 41, которая посредством радиального канала 42 и продольного канала 43 соединена со штуцером 17 на нижнем наружном конце полого штока 2.

В глухом отверстии 24 полого штока 2, выходящем в надпоршневую воздушную полость 44 пневмоцилиндра 1, установлена с зазором 45 цилиндрическая втулка 46, укрепленная одним концом в отверстии 47 днища 48 пневмоцилиндра 1 и снабженная внутри калиброванным дроссельным каналом 49. В центре калиброванного дроссельного канала 49 размещен саморегулируемый дроссельный элемент 50, выполненный в виде двух усеченных конусов 51, обращенных основаниями с большим диаметром к его короткому цилиндру 52. Дроссельный элемент 50 установлен на направляющем стержне 53, закрепленном одним концом в глухом отверстии полого штока 2, с возможностью продольного перемещения на нем между упорами 54 и 55, причем один упор 54 выполнен непосредственно на направляющем стержне 53, а второй упор 55 выполнен на гайке 56, расположенной на втором конце направляющего стержня 53 и застопоренной от самоотвинчивания штифтом 57. Оба упора имеют коническую форму и снабжены тремя продольными канавками 58. Описанное устройство представляет собой саморегулируемый дроссель.

Таким образом надпоршневая воздушная полость 44 пневмоцилиндра 1 через его дроссельный канал 49, саморегулируемый элемент 50 и гибкий шланг 7 сообщена с дополнительным резервуаром 8.

Внутренняя полость дополнительного резервуара 8 теплоизолирована от внешней среды, например, слоем пенополиуретана 59 (см. фиг.3) и в ней установлен электронагревательный элемент 60, например, пленочный с большой площадью контакта со сжатым в дополнительном резервуаре 8 воздухом.

Пневморессора рельсового транспортного средства работает следующим образом.

В статике давление сжатого воздуха на поршень 23 в пневмоцилиндре 1 уравновешивает силу тяжести кузова 6, которая передается на пневмоцилиндр 1 через резинометаллическую прокладку 5 и пружину 4. Поршень 23 находится в пневмоцилиндре 1 в среднем положении, что обеспечивается электропневматическим клапаном 10, работа которого управляется бортовым микропроцессором по сигналу измерительного устройства 22. Так, например, если поршень 23 в пневмоцилиндре 1 поднимется вверх, что вызовет сближение рамы 3 тележки и кузова 6, сигнал от измерительного устройства 22 поступит в микропроцессор, последний откроет электропневматический клапан 10 и сжатый воздух из баллона 11 высокого давления будет поступать по трубке 9 в дополнительный резервуар 8 и далее по гибкому шлангу 7 в надпоршневую воздушную полость 44 до тех пор, пока не установит поршень 23 в пневмоцилиндре 1 в среднее положение.

Предположим теперь, что тележка рельсового транспортного средства наехала на выступающую неровность железнодорожного пути, например, высотой 20 мм. Так как кузов транспортного средства обладает большой инерционностью, то рама 3 тележки и рама кузова 6 сблизятся между собой примерно на такое же значение 20 мм. Так как суммарный статистический прогиб последовательно включенных пружины 4 и пневматической рессоры составляет не менее 500 мм, то сила взаимодействия рамы 3 тележки с рамой кузова 6 будет равна 20:500=0,04 от веса последнего. Таким образом пневматическая рессора позволяет значительно уменьшить силовое взаимодействие между элементами экипажных частей рельсового транспортного средства, а следовательно, и верхнего строения пути, чего нельзя добиться посредством пружинного рессорного подвешивания. При сближении между собой рам 3 тележки и кузова 6 поршень 23 вместе с полым штоком 2 переместится в пневмоцилиндре 1 вверх, сжимая дополнительно воздух в надпоршневой полости 44 по отношению к давлению воздуха в дополнительном резервуаре 8 (см. фиг.1 и фиг.2). При этом сжатый воздух устремится по зазору 45 между глухим отверстием 24 в полом штоке 2 и цилиндрической втулкой 46 во внутреннее отверстие ее с саморегулируемым дроссельным элементом 50 и далее по гибкому шлангу 7 в дополнительный резервуар 8. Воздушный поток, проходя через саморегулируемый дроссельный элемент 50, перебрасывает его вверх до конического упора 55 гайки 56 направляющего стержня 53 с тремя продольными канавками 58, который сначала прикроет калиброванный дроссельный канал 49, а затем, когда нисходящий конус дроссельного элемента 50 переместится вместе с направляющим стержнем 53 на расширяющий конус калиброванного дроссельного канала 49 в цилиндрической втулке 46, проходное сечение саморегулируемого дроссельного элемента 50 начнет увеличиваться и сжатый в надпоршневой полости 44 цилиндра 1 воздух устремляется по гибкому шлангу 7 в дополнительный резервуар 8. В конце хода поршня 23 в пневмоцилиндре 1 вверх давление сжатого воздуха в надпоршневой воздушной полости 44 пневмоцилиндра 1 и дополнительном резервуаре 8 сравняется. При обратном движении поршня 23 в пневмоцилиндре 1 вместе со штоком 2 и направляющим стержнем 53 в надпоршневой полости 44 пневмоцилиндра 1 давление будет уменьшаться и сжатый воздух из дополнительного резервуара 8 устремится по гибкому шлангу 7 и далее по цилиндрической втулке 46 через саморегулируемый дроссельный элемент 50 в надпоршневую воздушную полость 44 пневмоцилиндра 1. При этом дроссельный элемент 50 будет переброшен потоком воздуха вниз до конического упора 54 с тремя продольными канавками 58 на направляющем стержне 53 и снова проходное сечение саморегулируемого дроссельного элемента сначала уменьшится, а затем увеличится и в конце хода давления сжатого воздуха в дополнительном резервуаре 8 и надпоршневой полости 44 пневмоцилиндра 1 снова сравняются. Таким образом, саморегулируемый дроссельный элемент 50 создает сдвиг по фазе между перемещением и силой, в результате чего возникает диссипативная сила, хорошо демпфирующая собственные колебания обрессорных масс. Оптимальное значение диссипативной силы рассчитывается по уравнениям газовой динамики. Эти же уравнения позволяют рассчитать геометрию саморегулируемого дроссельного элемента 50.

Если резинокордные пневморессоры могут работать при давлениях не выше 0,5 МПа, то стальной пневмоцилиндр выдерживает давление в десять раз выше, что резко сокращает размеры всех элементов пневмоподвешивания. Так при диаметре поршня 23 всего в 20 см и давлении сжатого воздуха в 5 МПа, пневмоцилиндр 1 будет иметь несущую способность 15,7 тонны, что обеспечивает потребность любого тягового подвижного состава. В то же время Россия серийно выпускает компрессор высокого давления (Р_max=6 МПа) с электродвигателем мощностью 4,5 кВт, который полностью обеспечит потребность пневмоподвешивания в сжатом воздухе.

Однако обеспечить высокую герметичность поршня 23 в пневмоцилиндре 1 только с помощью уплотнительных манжетных колец при указанном выше давлении воздуха затруднительно. Эта задача в данном изобретении решена посредством создания так называемого «масляного затвора», сущность которого заключается в следующем: масло под давлением, которое ниже давления сжатого воздуха в надпоршневой полости 44 пневмоцилиндра 1 всего на 0,5 МПа, постоянно подведено к кольцевой канавке 41 по радиальному каналу 42 и далее по продольному каналу 43 от штуцера 17, к которому оно подведено посредством гибкого шланга 16 (фиг.1) из масляного резервуара 14, в котором давление масла поддерживается посредством редукционного клапана 19, сообщенного трубкой 20 с дополнительным резервуаром 8. В статике давление сжатого воздуха в дополнительном резервуаре 8 и надпоршневой полости 44 пневмоцилиндра 1 одинаково, а в динамике давление масла в кольцевой канавке 41 не превышает давления сжатого воздуха в надпоршневой воздушной полости 44 пневмоцилиндра 1. В результате получается, что ближние к кольцевой канавке 41 два уплотнительных манжетных кольца 36 сверху и два снизу хорошо удерживают вязкое масло. При перемещении поршня 23 вдоль пневмоцилиндра 1 стенки его хорошо смазываются маслом, поэтому и верхние уплотнительные манжетные кольца 36 хорошо уплотняют сжатый в надпоршневой воздушной полости 44 пневмоцилиндра 1 воздух, тем более, что перепад давления составляет всего 0,5 МПа. Просочившееся через нижние уплотнительные манжетные кольца 36 масло стекает по штуцеру 33 и гибкому шлангу 34 в маслосборник (на черт. не показан), откуда его периодически снова заливают в масляный резервуар 14 через пробку 21.

Последовательно включенная с пневмоцилиндром 1 пружина 4 служит, главным образом, для обеспечения упругих перемещений рамы 3 тележки относительно кузова 6 в горизонтальной плоскости. В случае выхода из строя пневматической рессоры электропневматический клапан 10 уменьшает давление в дополнительном резервуаре 8 и, следовательно, в надпоршневой воздушной полости 44 пневмоцилиндра 1. Поршень 23 садится на днище пневмоцилиндра 1, т.е. пневмоподвешивание полностью выключается из работы, но пружина 4 остается в работе и транспортное средство может продолжать движение с меньшей скоростью.

Пневморессора рельсового транспортного средства оснащена измерительным устройством 22 определения высоты кузова 6 над рамой 3 тележки. Сигнал от него поступает в бортовой микропроцессор (на черт. не показан). Если кузов 6 просел на небольшую величину, то микропроцессор включает электронаревательный элемент 60 в дополнительном резервуаре 8. Подогрев сжатого воздуха увеличивает его давление в дополнительном резервуаре 8 и, следовательно, в надпоршневой воздушной полости 44 пневмоцилиндра 1. Заданное положение кузова 6 восстанавливается. Если просадка велика, например, при полной загрузке транспортного средства, например, вагона электропоезда пассажирами, включается электропневматический клапан 10 и воздух из баллона высокого давления 11 по трубе 9 пополняет сжатым воздухом дополнительный резервуар 8 и надпоршневую воздушную полость 44 пневмоцилиндра 1, восстанавливая заданное положение кузова 6. При разгрузке транспортного средства часть воздуха электропневматическим клапаном 10 выбрасывается в атмосферу и положение кузова 6, а следовательно, и положение поршня 23 в пневмоцилиндре 1 снова восстанавливается.

Описанная выше система регулирования положения поршня в пневмоцилиндре пневматической рессоры рельсового транспортного средства путем изменения давления сжатого воздуха в пневморессоре тепловым методом в сочетании с подпиткой дополнительного резервуара сжатым воздухом через электропневматический клапан намного проще системы регулирования гидропневматических рессор, где нужно поддерживать и заданный объем масла и давление газа в гидропневматическом аккумуляторе. Дополнительный резервуар намного проще и надежнее в работе по сравнению с гидропневматическим аккумулятором, т.к. не имеет резиновой диафрагмы. Подвод масла под давлением в кольцевую канавку поршня обеспечивает хорошую смазку стенок пневмоцилиндра и значительно уменьшает интенсивность износа уплотнительных манжетных колец, что не только повышает герметичность пневмоцилиндра, но и его технический ресурс в работе.

Источники информации

1. RU, патент №2032554, кл. B 60 G 11/26, F 16 F 9/02, 1995 г.

2. RU, патент №2102640, кл. F 16 F 9/06, 1998 г.