Колесо шахтної вагонетки

Реферат: Винахід належить до залізничних транспортних засобів, зокрема до шахтних вагонеток. У колесі, що включає маточину, обід, складову із внутрішньою пружною частиною, реборду, сполучену з конусоподібним профілем кочення обода, внутрішня частина складової реборди виконана у формі пружного U-подібного кільця із змінним профілем у поперечному перерізі з урахуванням як товщини стінки, так і з урахуванням кривизни ділянок, що сполучаються, внутрішній торець кільця зафіксований у пазу реборди, а зовнішній кінець розміщений з можливістю пружного переміщення в діапазоні від 0 до 10 мм відносно конусоподібного профілю кочення обода в момент контакту з рейкою. UA 111274 C2 (12) UA 111274 C2 Зміна конструктивних елементів колеса дасть можливість додання реборді самовстановлюваної пружності із забезпеченням стабільної збільшеної плями контакту тертьових поверхонь у місці дії бічної сили в кожен даний момент, що дозволить знизити питомий тиск і демпфірувати ударні піки навантаження в процесі обертання колеса, тобто зменшити тертя при контакті з рейкою і за рахунок цього, підвищити експлуатаційні характеристики колеса, включаючи можливість відновлення зношених реборд шляхом вставки пружного U-подібного кільця, продовження терміну служби і поліпшення ремонтопридатності. UA 111274 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до залізничних транспортних засобів, зокрема до шахтних вагонеток. Відомі конструкції вагонеткових коліс, що включають корпус із сполученим конусоподібним профілем кочення обода і реборди. (ГОСТ Р 55727-2013 "Оборудование горно-шахтное. Вагонетки грузовые шахтные. Общие технические требования и методы испытаний. М: Стандартинформ, 2014. - С. 33.) Такі конструкції забезпечують сприйняття статичних і динамічних навантажень, які виникають під час транспортування вантажів і виконують свої функції, однак швидко зношуються в процесі експлуатації. Відомі найбільш сучасні конструкції вагонеткових коліс підвищеної міцності і довговічності. (Ганкевич В.Ф., Коцупей A.M. Проблеми зношування деталей гірничодобувного обладнання і вишукування методів підвищення зносостійкості колісних пар шахтних вагонеток // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 12. - С 57-60.) Ці конструкції забезпечують підвищену довговічність і надійність вагонеткового колеса, але дорого коштують. Найбільш близьким до пропонованого рішення відносно технічної суті та результату, що досягаються, є колесо шахтної вагонетки, що включає маточину, обід, складову реборду з гофрованою пружною обичайкою (авт. свід. СРСР № 1258012 В66С 9/08, В60В 170, 1983). Таке технічне рішення зменшує рівень сил тертя, що виникають при жорстких динамічних навантаженнях, однак вирішує задачу частково, оскільки демпфірування ударних навантажень відбувається переривчасто на окремих ділянках реборди, що мають пружність, а проміжні між ними ділянки реборди не контактують з боковиною рейки. В результаті виникає додаткова вібрація, що зводить нанівець всі переваги. Крім того, конструкція пружного елемента не дозволяє досягти необхідного рівня надійності й довговічності вагонеткового колеса через його швидкий знос. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення відомого колеса, в якому зміною конструктивних елементів досягається можливість додання реборді самовстановлюваної пружності із забезпеченням стабільної збільшеної плями контакту тертьових поверхонь у місці дії бічної сили в кожний даний момент, що дозволить знизити питомий тиск і демпфірувати ударні піки навантаження в процесі обертання колеса, тобто зменшити тертя при контакті з рейкою і за рахунок цього підвищити експлуатаційні характеристики колеса, включаючи забезпечення можливості відновлення зношених реборд шляхом вставки пружного кільця Uподібного профілю, продовження терміну служби і покращення ремонтопридатності. Для вирішення поставленої задачі в колесі шахтної вагонетки, що включає корпус з ободом, та реборду з пружним елементом, сполучену з конусоподібним профілем кочення обода, яке відрізняється тим, що пружний елемент реборди виконаний у вигляді кільця із U- подібним профілем у поперечному перерізі, змінним як по товщині стінки, так і по кривизні ділянок, що сполучаються, причому один кінець U-подібного профілю кільця є вільний, а інший встановлений в пазу реборди з можливістю змикання кінців U-подібного профілю кільця у момент критичних навантажень при контакті з рейкою. Таким чином, сукупність характеристик технічного рішення, що заявляється, забезпечує виконання поставленоїзадачі в повному обсязі. На фіг. 1 зображений розріз робочої частини вагонеткового колеса із складовою ребордою. На фіг. 2 наведений робочий варіант U-подібного профілю кільця. Колесо складається з корпусу 1, на ободі якого виконаний конусоподібний профіль кочення 2 колеса, зв'язаний з робочою поверхнею 3 одного кінця U-подібного профілю кільця 4, встановлену з зазором до 1 мм. Робоча поверхня 5 другого кінця U-подібного профілю кільця 4 сполучена з опорною поверхнею жорсткої частини 6 реборди з пазом 7 глибиною приблизно 2-3 мм, при цьому його торець пружно зафіксований у пазу. Для забезпечення пружної фіксації внутрішній діаметр кільця виконують на 2-3 мм менше, ніж найбільший діаметр конічної ділянки обода колеса, тобто на глибину паза 7. Внутрішній діаметр кільця 4 відповідає зовнішньому діаметру стандартного вагонеткового колеса по поверхні катання і становить 300, 350 і 400 мм залежно від вантажопідйомності вагонетки. Кільце 4 напресовують на конічну ділянку обода колеса до упору в опорну поверхню реборди 6. В процесі напресовування внутрішній діаметр кільця 4 U-подібного профілю пружно збільшується на 2-3 мм, а при упорі в реборду 6 пружно зменшується на цей же розмір, коли торець одного кінця U- подібного профілю кільця увійде в паз 7. Таким чином, кінець Uподібного профілю кільця 4 фіксується від переміщення вздовж осі обертання колеса, а реборда виходить складовою з жорсткої і пружної частин. Відстань між внутрішніми стінками кінців U-подібного профілю кільця 4 у вихідному положенні, тобто без навантаження, становить від 3 до 10 мм, що відповідає розрахунковій 1 UA 111274 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 величині пружного переміщення вільного кінця під дією ударного навантаження величиною 3001200 кг. Конкретну величину відстані між внутрішніми стінками кінців U-подібного профілю кільця формують у процесі його виготовлення, чим обмежують величину пружного ходу кінця профілю. Вихідну величину цієї відстані вибирають залежно від конкретних умов кожного рудника або шахти. При динамічному навантаженні більш розрахунково-допустимого рівня, кінці U-подібного профілю кільця 4 змикаються і профіль стає жорстким, що запобігає поломці кільця, тому нульова відстань між внутрішніми стінками кінців U-подібного профілю кільця 4 теж є робочою, а весь діапазон становить від 0 до 10 мм. У статиці нульова відстань між внутрішніми стінками кінців U-подібного профілю кільця 4 може бути, якщо вагонетка стоїть на ділянці шляху, де відстань між рейками менша за стандартну (700 мм) і колісна пара затиснута. Гранична відстань між кінцями в 10 мм обумовлена неможливістю великих переміщень вільного кінця профілю під дією імпульсу навантаження тривалістю в десяті частки секунди в наслідок інерційності мас. Довжина кінців профілю відповідає висоті жорсткої реборди стандартного вагонеткового колеса і становить 20-40 мм. Товщину стінки профілю вибирають змінною в межах 4-8 мм в залежності від марки сталі та режиму термообробки. Для такої товщини стінки достатньо використовувати типову марку ресорної сталі 65Г з межею міцності до 1000 МПа. Довжина кінців профілю, їх товщина, відстань між кінцями, їх кут нахилу один до одного і радіуси кривизни профілю біля вершини взаємозалежні та зумовлюються вимогами стандарту на вагонеткові колеса за кутом нахилу робочої поверхні реборди до вертикалі, тобто за кутом сполучення профілів кочення обода, який затверджений у 15° ± 1°. Цей кут забезпечує оптимальний кут зустрічі контактних поверхонь при накаті колеса на бічну поверхню рейки. Кут нахилу α кінців U-подібного профілю кільця 4 один до одного, зображений на фіг. 2 дорівнює 15°±5°. При зміні кута α змінюється точка прикладання бічної сили Р, зображеної на фіг. 1. При куті α на рівні 15° точка прикладання бічної сили зосереджена на кінці U-подібного профілю кільця 4, а при 0° - у його основи, що зводить нанівець пружні властивості профілю. З метою отримання вагонеткового колеса конструкції, що заявляється, базове стандартне колесо переточують у місці сполучення конічної поверхні кочення з монолітною ребордою таким чином, щоб зменшити товщину стандартної реборди на 30-40 % з отриманням плоскої бічної опорної поверхні, перпендикулярної осі обертання колеса. Конічну частину поверхні кочення на ділянці 10-20 мм від бічної опорної поверхні реборди паралельно осі обертання колеса переточують у циліндр, після чого наприкінці циліндричної ділянки у кореневій частини реборди проточують паз глибиною 2-3 мм, шириною на 1 мм більше, ніж товщина стінки на кінці Uподібного кільця. Такими переточуваннями отримують фігурну опорну поверхню для установлення в неї пружного елемента у вигляді кільця 4 U-подібного профілю. Для серійного виробництва коліс нової конструкції застосовують спеціальну литу заготовку з мінімальними припусками на проточку. Кільце 4 U-подібного профілю виготовляють відцентровим відливанням у кокіль з наступним термозміцненням і обточуванням робочих поверхонь. Виконання реборди складовою з пружним елементом у вигляді кільця з U-подібним профілем дозволяє реалізувати функцію пружного поглинання пікової частини динамічних навантажень від бічних сил, які виникають на поворотах і стрілочних переходах, що різко знижує сили тертя в місцях контакту реборди з боковиною головки рейки. Виконання пружного елемента у вигляді кільця U-подібного змінного профілю дозволяє одержати необхідні пружні характеристики та оптимізувати його роботу на контактних ділянках. Кільце 4 U-подібного змінного профілю з потовщеними кінцями дозволяє компенсувати їх знос у процесі експлуатації. В процесі експлуатації колеса вільний кінець U-подібного профілю кільця 4 в результаті зносу змінює свій профіль, тобто стоншується і при досягненні товщини 2 мм пружний елемент замінюють на новий або перевертають на 180°, міняючи кінці місцями, чим забезпечують подвійний термін служби пружного елемента. Колесо працює таким чином. При коченні вагонеткового колеса по рейці в результаті: зміни розміру ширини колії, на поворотах, на стрілочних переходах, при перекосах вагонетки, поверхня 3 вільного кінця Uподібного профілю кільця 4 вступає в контакт з бічною поверхнею головки рейки з виникненням змінної бічної сили Р. В залежності від величини зусилля контакту вільний кінець U-подібного профілю кільця 4 починає пружно переміщатися відносно поверхні кочення обода в напрямку дії бічної сили Р до моменту її врівноваження пружною силою профілю, при цьому зовнішня 2 UA 111274 C2 5 10 15 20 25 30 35 поверхня 5 іншої половини профілю спирається на бічну опорну поверхню жорсткої частини реборди 6. Залежно від зростання величини сили Р ширина відкритої частини U-подібного профілю кільця на контактній ділянці зменшується пропорційно їй, при цьому кінці профілю пружно зближуються до заданої межі в діапазоні від 10 мм до 0, що гарантує відсутність пластичної деформації. Відстань між кінцями профілю під час кочення колеса довільно змінюється в межах 0-10 мм відповідно змінюється і пляма контакту рейки і колеса під бічною силою Р. У результаті пружного прогину профілю кільця в точці прикладання бічної сили Р відбувається самовстановлювальне розосередження точки прикладання сили, що перерозподіляє навантаження на майданчику (плямі) контакту тертьових поверхонь рейки і колеса, при цьому питомі навантаження зменшуються багаторазово - пропорційно зменшується і знос. Пляма контакту під бічною силою Р в процесі кочення колеса набуває довільних положень по висоті профілю кільця залежно від ступеня зносу рейки. Контактні навантаження також довільні від 0, коли контакту немає, до величин пікових навантажень, що виникають під час ударів колеса об рейку, наприклад, на стиках і стрілочних переходах. Максимальні динамічні дії рейки на колесо можуть досягати 1200 кг, виходячи з цього розраховують характеристики міцності та геометричні параметри пружних профілів. При роботі пружного елемента радіуси кривизни стінок профілю кільця змінюються довільно пропорційно навантаженню. Час дії пікового ударного навантаження дорівнює часу пружної деформації профілю кільця і становить від десятих до сотих часток секунди, залежно від швидкості обертання колеса. Цього часу цілком достатньо, щоб поглинути піковий імпульс сили шляхом пружної деформації профілю кільця, а при зниженні навантаження запасена пружна енергія вивільняється і профіль кільця відновлюється до вихідного положення. Таким чином, рівень контактних напружень багаторазово знижується, що пропорційно зменшує знос пари тертя рейка-колесо і підшипникових вузлів. Заготовками для коліс пропонованої конструкції можуть бути стандартні вагонеткові колеса, що відпрацювали свій термін експлуатації, зі ступенем зношеності реборд до 30 %, що мінімізує обсяг переточування під фігурну опорну поверхню для установлення в неї пружного елемента і дозволяє, отримати додатковий економічний ефект. Таким чином, технічне рішення, що заявляється, дозволяє одночасно відновлювати зношені колеса, забезпечуючи підвищення ремонтопридатності, що неможливо для прототипу. Пропонований винахід може бути використаний і на залізничному транспорті, де застосовують дворебордні колеса, наприклад, на мостових кранах. Пропонований винахід дозволяє при мінімальних переробках типових вагонеткових коліс підвищити їх терміни експлуатації і додатково знизити знос рейкового шляху порівняно з існуючими аналогами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Колесо шахтної вагонетки, яке містить корпус з ободом та реборду з пружним елементом, сполученим з конусоподібним профілем кочення обода, яке відрізняється тим, що пружний елемент реборди виконаний у вигляді кільця з U-подібним профілем у поперечному перерізі, змінним як по товщині стінки, так і по кривизні ділянок, що сполучаються, причому один кінець U-подібного профілю кільця є вільний, а інший встановлений в пазу реборди з можливістю змикання кінців у момент критичних навантажень при контакті з рейкою. 3 UA 111274 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4