тележка железнодорожного вагона

Формула изобретения

Тележка железнодорожного вагона, содержащая несущую раму с продольными и поперечными балками с шарнирно установленными на ней продольными подрессоренными балансирами, на свободных концах которых закреплены буксы колесных пар, а центральная балка снабжена пятниковым узлом, отличающаяся тем, что балансиры установлены под углом к продольной оси тележки в вертикальной плоскости и подпружинены торсионами, закрепленными внутри полых поперечных балок, а буксы колесных пар, оси которых расположены ниже осей вращения балансиров, выполнены с внутренним подрессориванием, образованным вертикальными пружинами и наклонными резинометаллическими упругими элементами, обладающими податливостью по всем шести координатам, причем суммарная вертикальная жесткость торсиона и буксовой подвески определяется из соотношения

а центральная балка шарнирно подвешена к раме посредством расходящихся рычагов, установленных под углом к вертикали и имеющих упругую связь с рамой, при следующем соотношении параметров:

где Н_ц.т. - высота центра тяжести вагона от головок рельса, м;

m_в - масса вагона, кг;

V - линейная скорость движения в кривой, м/с;

L - база тележки;

В - ширина тележки по буксовому подвешиванию, м;

R - радиус кривой, м;

С_z - суммарная вертикальная жесткость торсиона и буксового подвешивания, кГ/мм;

С_y - поперечная жесткость связи тележки с вагоном, кГ/мм;

r - длина балансира, м;

_ст - статический угол установки балансира;

- угол установки рычагов подвески корпуса вагона к вертикали, рад;

G_в - вес вагона, кГ;

l_n - длина рычага;

Н - расстояние от линии, связывающей шарниры подвеса центральной балки, до центра тяжести вагона от головок рельса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта, в частности, грузового.

При движении железнодорожного вагона по криволинейному пути на него дополнительно начинает действовать центробежная сила, под действием которой вагон в силу своей конструкции накреняется от центра поворота. Для того чтобы этот крен не превышал допустимых величин, снижают скорость прохождения кривых, что нерентабельно, и устраивают специальные виражи, т.е. наклоняют плоскость пути к центру поворота. Однако в последнем случае при остановке поезда на вираже пол его оказывается наклонным, причем даже больше, чем наклон пути. Это чревато смещением груза в вагоне, неравномерностью загрузки бортов, что влияет на устойчивость движения, увеличивается неравномерность воздействия на путь.

Для борьбы с этим явлением используют различные способы стабилизации железнодорожных тележек (см. журнал «Железные дороги мира», №9, 1990 г. [1]).

Известны способ и устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на две тележки рельсового транспортного средства (патент РФ №2015048 [2]). В этом изобретении поперечные силы, возникающие при вхождении в поворот, равномерно распределяются между первой и второй тележкой с помощью специального торсионного вала.

Недостаток устройства в том, что оно не перераспределяет поперечные нагрузки между бортами тележки.

Известны тележки с радиальной установкой колесных пар, например, тележка S-2-HD, оборудованная устройством Frame Brace, позволяющей за счет податливости в буксах развернуть оси в направлении, приближающемся к радиальному (патент США №4570544, [3]).

Однако этот разворот недостаточен для полной реализации способа уменьшения динамической нагруженности на путь на криволинейном участке.

Аналогичный недостаток присущ тележке фирмы ABB Traktion (Швеция), где используются два рычага, соединяющие боковую раму с надрессорной балкой и обеспечивающие радиальное вписывание в кривых [4].

Известна тележка грузового вагона изобретателя Р. Панагина [5], которая обеспечивает радиальную установку колесных пар в кривых и имеет рессорное подвешивание с переменной, зависящей от нагрузки жесткостью. Кузов вагона опирается на тележку через сферический подпятник и скользуны. Основная нагрузка воспринимается боковыми скользунами. Подпятниковая отливка опирается на подрессорную балку через резиновые элементы. В подрессорной балке также установлены оси поворотных балок (балансиров), которые попарно соединены с каждой стороны тележки продольными штоками, на которых установлены цилиндрические пружины с постоянной жесткостью. Свободный конец каждого балансира опирается на цилиндрическую буксу через кольцевой резиновый элемент. В буксах установлены подшипники с бочкообразными роликами, допускающие условие перемещения между осью колесной пары и продольным балансиром без дополнительного нагружения буксового резинового элемента. Величина углов поворота колесных пар зависит от массы вагона, высоты расположения его центра масс и величины центробежного ускорения. В кривых величина перегрузки наружной стороны тележки и соответствующая разгрузка внутренней стороны определяют величину расхождения поворотных балок, с одной стороны, и схождение - с другой, чем обеспечивается радиальная установка колесных пар в кривых. Это позволяет снизить усилия, действующие на направляющую колесную пару.

Недостатком конструкции является то, что, несмотря на возможность радиальной установки осей колесных пар при прохождении криволинейных участков пути, корпус вагона накреняется наружу, в сторону, обратную центру кривизны. При этом пол вагона накреняется в сторону, обратную центру поворота, что приводит к смещению груза, особенно сыпучего. В этом случае происходит перегрузка одного борта. Радиальная установка осей сохраняется и на прямолинейном участке, где условия движения только ухудшаются, даже по сравнению с обычными тележками, т.е. положительный эффект превращается в свою противоположность. Несмотря на свои недостатки, последнее устройство может служить прототипом.

Предлагаемое устройство обеспечивает решение следующих задач:

- снижение динамического нагружения пути и перевозимого груза;

- уменьшение сопротивления движению в кривых;

- снижение износа реборд колес и рельсов.

Для решения этих задач предложена конструкция тележки железнодорожного вагона, содержащая несущую раму с продольными и поперечными балками с шарнирно установленными на ней продольными подрессоренными балансирами, на свободных концах которых закреплены буксы колесных пар, а центральная балка снабжена пятниковым узлом, причем балансиры установлены под углом к продольной оси и снабжены торсионами, закрепленными внутри полых поперечных балок, буксы колесных пар выполнены с внутренним подрессориванием, образованным вертикальными пружинами и наклонными упругими элементами. Причем наклонные упругие элементы (см. фиг.1) имеют различную податливость по шести координатам для обеспечения требуемых условий работы буксовых подшипников при радиальной установке колесных пар, а также обеспечения оптимальных параметров плавности хода и воздействия на путь.

На фиг.1, 2, 3 изображен общий вид грузовой тележки. Фиг.4 и 5 иллюстрируют метод радиальной установки осей колесных пар тележки и наклон кузова под действием инерционных сил. Фиг.6 иллюстрирует расчет рациональных параметров подвешивания центральной балки.

Тележка состоит из несущей сварной рамы 1, двух колесных пар 3, на которые опираются балансиры 2 через наклонные упругие элементы 4 и пружина 9. Балансиры шарнирно закреплены в раме и дополнительно связаны с ней упругими элементами - торсионами. Вагон опирается на подпятник 6, расположенный на центральной балке 5, которая в свою очередь подвешена на наклонных рычагах 7. Тягово-тормозные усилия передаются с рамы тележки на центральную балку с помощью поводков 8, имеющих по концам упругие шарниры.

Устройство позволяет реализовать снижение динамической нагруженности пути и перевозимого груза за счет двухступенчатого подвешивания (упругие наклонные элементы над буксой и торсион по оси балансира) и подвешивания центральной балки на наклонных рычагах. Уменьшение сопротивления движению в кривых обеспечивается за счет рационального угла установки балансиров и установки осей колесных пар по радиусу кривой. При этом уменьшается угол вкатывания колеса и, следовательно, уменьшается износ реборд и рельсов.

Разворот осей колесных пар по радиусу кривой с помощью балансирной подвески возможен при рациональном соотношении угла установки балансира «», длины балансира «r» и вертикальной жесткости, приведенной к оси колесной пары «С_z».

Смещение оси колеса относительно поперечной оси симметрии тележки определяется зависимостью (см. фиг.4):

l=f(L;B;r; _ст;R),

где L - база тележки;

В - ширина тележки по буксовому подвешиванию (как правило, 2036 мм);

r - радиус (длина) балансира;

_ст - статический угол;

R - радиус кривой.

Значение l, при котором оси колесных пар установятся по радиусу кривой, определяются из выражения

В то же время l в зависимости от «r» балансира и статического угла _ст определяется выражением

Из выражения (2) определяется и возможный прогиб h (см. фиг.4)

Исходя из габаритно-массовых характеристик вагона и упругих характеристик подвески

где Н_ц.m. - высота центра тяжести вагона от головок рельса;

m_в - масса вагона (без тележек);

V - скорость движения в кривой;

В - ширина тележки по буксовому подвешиванию;

R - радиус кривой;

С _z - вертикальная жесткость, приведенная к одной буксе.

Из выражения (4) определяется необходимое значение «С _z» для обеспечения выставки осей колесных пар по радиусу кривой

Подставив в выражение (5) значение h, получим

Поперечная жесткость подвешивания вагона реализована в рычагах подвеса центральной балки к раме тележки (см. фиг.5). Причем рычаги подвеса длиной «l_n» установлены под углом «» к вертикали. Зависимость между длиной рычага «l_n» и углом его установки «» должна обеспечивать необходимую восстанавливающую силу при максимальном смещении пола вагона относительно оси симметрии и при минимальном поперечном смещении центра тяжести кузова. Кроме того, поворот пола вагона внутрь кривой снижает поперечное (центробежное) ускорение, действующее на груз.

Промежуточные положения рычага подвеса центральной балки представлены на фиг.6.

Чтобы центр тяжести вагона являлся центром качания на рычагах, должно соблюдаться условие

где В - расстояние между точками подвеса на центральной балке (поперек вагона),

H - расстояние от линии, связывающей шарниры подвеса центральной балки, до центра тяжести кузова.

Поскольку условная жесткость связи тележки с вагоном в поперечном направлении обратно пропорциональна длине рычага «l_n », то для обеспечения требуемой плавности хода необходимо, чтобы зависимость между l_n=f(C_y) определялась выражением

Выражения (6, 7 и 8) определяют рациональное соотношение параметров устройства, при котором наиболее полно реализуются снижение сопротивления движению, уменьшение износа реборд колес и повышение допустимых скоростей движения вагона в кривых.

Источники информации

1. Журнал «Железные дороги мира», №9, 1990 г.

2. Пат. РФ №2105048, 1994 г.

3. Пат. США №4570544.

4. Отчет о НИР МПС РФ «Обзор конструкций существующих типов тележек грузовых вагонов», ч.1, 1999 г.

5. Ingegneria Ferroviaria, 1986, №9, p.628-655 (прототип).