Результат интеллектуальной деятельности: Устройство связи кузова железнодорожного транспортного средства с тележкой

Изобретение относится к устройствам подвижного состава транспортных средств железных дорог и предназначено, в частности, для грузовых вагонов и касается конструкции связей кузова с двухосной тележкой грузовых вагонов.

Цель изобретения - улучшение динамических характеристик, обеспечивающих повышение безопасности движения поездов и снижение износов гребней колес и головок рельсов.

Известна тележка модели 18-100, которой оснащены почти все грузовые вагоны, обращающиеся по сети железных дорого России и других стран бывшего СССР. В этой тележке связь с кузовом осуществляется посредством опирания пятника на подпятник надрессорной балки. Через отверстия пятника и подпятника проходит шкворень. Надрессорная балка снабжена расположенными в ее наклонных пазах фрикционными клиньями, взаимодействующими с фрикционными планками, закрепленными в проемах боковых рам, и опирается на два рессорных комплекта, состоящих из двухрядных пружин одинаковой высоты, установленными на нижних поясах боковых рам тележки.

К недостаткам такой конструкции следует отнести малый статический прогиб рессорного комплекта: в порожнем он не превышает 8 мм, а в груженом - 49 мм. Кроме того, жесткость рессорного подвешивания этой тележки в направлении, поперечном относительно оси пути, как в порожнем, так и в груженом состояниях вагона весьма значительна и равна 86⋅10⁵ Н/м. [Сенаторов С.А. Прогнозирование нагруженности, износа и динамики подвижного состава: Ч. 1. Динамические системы подвешивания подвижного состава и методы их исследования. Учебное пособие. Екатеринбург. Изд-во УрЭМИИТ, 1996. 104 с.]. Такое значение горизонтальной жесткости является слишком большим, особенно для порожних вагонов. Вследствие этого в результате совместных колебаний виляния и боковой качки вагона в порожнем режиме его движения, особенно при изношенных фрикционных клиньях, наблюдаются значительные колебания кузова с большими горизонтальными силами взаимодействия в контакте колеса и рельса, снижающие коэффициент устойчивости против вкатывания гребня колеса на головку рельса. Практика показывает, что порожние вагоны, особенно с высоким центром тяжести, в 10 раз чаще сходят с рельсов, чем груженые. Из-за этого также приходится ограничивать скорость их движения до 60 км/ч в кривых участках пути, что снижает пропускную способность участков железных дорог.

Для повышения устойчивости движения новых так называемых инновационных вагонов в порожнем режиме они оснащены тележками с билинейным рессорным подвешиванием, рессорные комплекты которых оснащены двухрядными пружинами (тележки моделей 18-9855 (Barber S-2-R), 18-194-1 (Уралвагонзавод) и др.). Вследствие большей высоты внутренних пружин по отношению к наружным они работают в порожнем режиме движения вагона, а наружные пружины не нагружены. Это способствует некоторому улучшению вертикальной динамики вагона, но все равно не обеспечивает необходимых динамических показателей в горизонтальной плоскости, поскольку горизонтальная жесткость пружин в порожнем и груженом состояниях вагона остается постоянной [Ю.В. Мещерин О рессорном подвешивании тележек грузовых вагонов. / Вагоны и вагонное хозяйство №2 (46) 2016. С. 33-35.] и тележки чувствительны к неровностям рельсовой колеи в плане, что негативно влияет на уровень безопасности движения поезда.

Известна также тележка подвижного состава, взятая за прототип, содержащая раму, упруго опирающуюся на колесные пары, состоящую из боковин, соединенных поперечной балкой с вырезом под шкворень. Устройство связи этой тележки и с кузовом состоит из установленных на раме тележки двух упругих боковых опор кузова с роликами и скользунов, установленных на боковинах тележки и состоящих из основания и опертой на него через упругий элемент крышку с антифрикционной пластиной для взаимодействия с упорной плитой, установленной на кузове [патент RU №2280575, МПК B61F 5/52, опубл. 27.07.2006].

Недостатки этой тележки:

1. Горизонтальная жесткости системы обрессоривания вагона как в порожнем, так и в груженом состояниях вагона является одинаковой, что не отвечает современным требованиям обеспечения оптимального взаимодействия колес и рельсов безопасности движения.

2. Установленные на боковых рамах упругие боковые опоры снабжены роликами, на которые опирается кузов. Так как ролики обладают малым коэффициентом трения качения, то они не могут обеспечить оптимального стабильного момента сопротивления повороту тележки относительно кузова.

3. Такие опоры качения не могут обеспечить необходимую работоспособность в условиях турбулентной многофазной среды - воздуха с частицами пыли, песка, влаги (а также и снега - в зимний период эксплуатации подвижного состава), которая образуется в подвагонном пространстве между кузовом и верхним строением пути при движении вагона по перегону с установленной скоростью.

Известна также боковая опора, которая содержит упругий элемент и две опорные плиты, неподвижно закрепленные соответственно на кузове и тележке, причем один конец упругого элемента непосредственно связан с одной из опорных плит, а другой - со второй опорной плитой через скользун. При этом первая опорная плита и скользун снабжены перекрывающими друг друга по высоте выступами-упорами, а вторая опорная плита снабжена направляющими для скользуна. Упоры скользуна выполнены плоскими с рабочими поверхностями, перпендикулярными направляющим плиты, а упоры первой опорной плиты образованы ее кронштейнами с кулачками, расположенными относительно рабочих поверхностей упоров скользуна с зазором [Боковая опора кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, патент РФ 2019457, класс B61F 5/14].

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение оптимальной жесткости рессорного подвешивания в порожнем и груженом состояниях вагона в горизонтальной плоскости поперек оси пути, эффективного демпфирования горизонтальных колебаний узлов вагона, что позволяет обеспечить устойчивость движения вагона, а также снизить износ гребней колес и боковых граней рельса.

Указанный технический результат достигается тем, что на шкворне установлено посредством антифрикционных прокладок кольцо с шарнирно присоединенными к ним стержнями, расположенными симметрично относительно вертикальной оси кузова под некоторым углом к горизонтали и ориентированными перпендикулярно продольной оси кузова, а другие их концы шарнирно соединены с составными фрикционными ползунами, расположенными в профилированных горизонтальных направляющих поперечной балки и контактирующими с аксиально расположенными в этой балке внутренними, когда вагон не нагружен, и с наружными винтовыми пружинами. При этом наружные пружины установлены с регулируемым преднатягом и упираются в расположенные в упомянутых направляющих кольца, через центральные отверстия которых проходят внутренние пружины, длины выступающих частей которых зависят от разности статических прогибов обрессоривания кузова в груженом и порожнем состояниях вагона, а также от угла наклона и длины упомянутых стержней, Кроме того, кронштейны верхнего и нижнего упоров боковых опор установлены с зазором "с", обеспечивающим защищенность упругого элемента опоры при деформации его сдвига при колебаниях виляния тележки вагона и при его вписывании в кривую.

На фиг. 1 изображено устройство связи кузова с тележкой подвижного состава железных дорог, на фиг. 2 показана упругая боковая опора кузова при виде сбоку.

Это устройство состоит из боковых опор, состоящих из упругих резинометаллических или эластомерных элементов 14, установленных между верхней упорной плитой 17 с фрикционным вкладышем 15 и нижней упорной плитой 19, закрепленной на боковой раме 20, опирающейся посредством упругих элементов 23 на буксы 24. На эти опоры опирается кузов 1 со шкворнем 4, снабженным кольцом 5 с антифрикционными вкладышами и расположенным в вырезе поперечной балки рамы тележки. К этому кольцу 5, установленному на шкворне посредством гайки 16, шарнирно присоединены стержни 6, расположенные в вырезе поперечной балки рамы тележки симметрично относительно вертикальной оси кузова под некоторым углом к горизонтали и ориентированные перпендикулярно продольной оси кузова. Другие их концы шарнирно соединены с фрикционными ползунами 7, упирающимися в фрикционные клинья 8, взаимодействующими с фрикционными вкладышами 9, расположенными в профилированных горизонтальных направляющих поперечной балки 12 рамы тележки. Торцовые вертикальные поверхности фрикционных клиньев 8 имеют гнезда, в которые упираются выступающие части пружин 10, расположенных внутри наружных пружин 11. Эти наружные пружины одним концом упираются в кольца 21, а другим, совместно с другим концом внутренней пружины, - в гнезда упоров 22, установленных с возможностью регулирования силы предварительного поджатия в поперечной балке рамы тележки 12. На поперечной балке рамы также закреплены упругие упоры 13, ограничивающие горизонтальное перемещение кузова относительно рамы тележки.

Устройство работает следующим образом. Углы наклона стержней, их длина и длина выступающих частей внутренних пружин подобраны так, чтобы в порожнем режиме движения при горизонтальных колебаниях вагона нагружались только внутренние пружины, а при полной загрузке вагона вследствие дополнительного сжатия боковых опор и опускания кузова со шкворнем, снабженным кольцом, стержни перемещались фрикционные ползуны, сжимая внутренние пружины на величину зазора "b", в результате чего включаются в работу также и наружные пружины.

В ненагруженном состоянии вагона при горизонтальных колебаниях железнодорожного экипажа в порожнем состоянии вагона шкворень 4 через кольцо 5 и наклонные стержни 6 перемещает упруго поджатые ползуны 7, а также фрикционные клинья 8, взаимодействующие с фрикционными вкладышами 9, заставляя сжиматься внутренние пружины 10. В результате этого возникают силы упругого сопротивления и силы трения, соответствующие данному режиму движения и ограничивающие амплитуду горизонтальных колебаний кузова.

При загрузке вагона произойдет дополнительное сжатие упругих элементов 14 боковых опор, вследствие чего кузов со шкворнем и установленным на нем кольцом опустятся вниз, стержни установятся горизонтально, перемещая упруго поджатые ползуны 7 и фрикционные клинья 8 и сжимая внутренние пружины на величину зазора "b". Края фрикционных клиньев 8 упрутся в кольца 21, нагружая при горизонтальных колебаниях вагона и внешние пружины, что увеличит силы упругого сопротивления и силы трения.

При работе упругих элементов этого устройства связи кузова с тележкой, выполненного из фрикционных элементов, внутренней и наружной аксиально установленных пружин и упругих упоров, как в порожнем, так и в груженом состояниях вагона формируется билинейная силовая характеристика, необходимая для обеспечения устойчивого безопасного движения вагона за счет снижения поперечных боковых сил взаимодействия вагона и пути (кузова с рамой тележки и колесных пар с головками рельсов).

При интенсивных колебаниях виляния и при вписывании в кривую демпфирующий момент создают силы трения между фрикционными вкладышами 15 и верхними упорными плитами 17. Для повышения надежности упругой боковой опоры кузова на тележку железнодорожного транспортного средства между кулачками кронштейнов 18 верхней боковой опоры и кронштейнами 19 нижней опоры установлен зазор, величина которого зависит от максимального веса кузова, коэффициента трения фрикционного скользуна и горизонтальной жесткости упругого элемента опоры при его деформации на сдвиг в направлении движения скользуна.