Спосіб та пристрій для зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту

1. Спосіб зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту на кривих ділянках малого радіуса, що включає згинання внутрішньої рейки в горизонтальній площині у відповідності з заданими параметрами та згинання в горизонтальній площині і установку зовнішньої рейки з підвищенням відносно внутрішньої рейки, який відрізняється тим, що внутрішню рейку перед згинанням у горизонтальній площині по радіусу кривої піддають багаторазовому згинанню у вертикальній площині у відповідності з заданим профілем у вигляді спряжених дуг, які розташовують симетрично відносно горизонтальної середньої лінії, дотримуючи чергування опуклостей та угнутостей та зберігаючи на цій лінії точки спря C2 ЗНИЖЕННЯ (13) ДЛЯ 77019 (54) СПОСІБ ТА ПРИСТРІЙ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД 3 симетрична у своєму поперечному перерізі і складається з головки, шийки та підошви, і колесо з гребенем і поверхнею котіння з складним профілем, який являє собою сполучення радіусних кривих та уклонів, утворюючих конічні поверхні. Причому цей профіль для вагонного і локомотивного коліс повинен відповідати спеціальним профільним шаблонам і мати таку форму: біля краю, направленого до середини колісної пари, є гребінь, який повинен утримувати її від сходу з рейок. Уклон поверхні обода біля гребня і на середині складає 1:20, далі уклон 1:7. Поверхня котіння закінчується фаскою під кутом 45°. Конічна форма поверхні повинна забезпечувати рівномірне зношування ободу колеса, причому поверхня котіння на уклоні 1 :7 повинна стикатися з головкою рейки тільки при проходженні кривих малого радіусу [1]. Утримання головок обох рейкових ниток в одному рівні з різницею до 4мм забезпечує на прямих ділянках плавний рух поїздів та рівномірне зношення рейкових ниток. Але рейкова колія окрім прямих ділянок має ще й криві ділянки з різними радіусами кривизни, де й виникають в залежності від величини радіусу кривизни та швидкості руху, встановленого на цій ділянці, проблеми взаємодії рейки і колеса. Під час руху по кривій ділянці колії на залізничний транспорт діє відцентрова сила, під впливом якої він чинить підвищенний тиск на зовнішню рейку як у вертикальній, так і у горизонтальній площинах [2]. Щоб загасити це додаткове зусилля, зовнішню рейку трохи піднімають над внутрішньою рейкою, причому це підвищення зовнішньої рейки в залежності від радіусу кривої та допущеної швидкості руху по ній може досягти 150мм і більше. При цьому поїзд нахиляється усередину кривої, що збільшує навантаження на внутрішню рейку та розвантажує зовнішню. Далі при проходженні кривих малого радіусу в контакт з головкою внутрішньої рейки вступає конічна поверхня, яка має уклін 1:7. Одночасно з цим, гребінь другого колеса колісної пари при вході в криву ударяється у бокову поверхню головки зовнішньої рейки та із-за наявності криволінійності поверхні котіння і під дією виникаючої при цьому горизонтальної сили це колесо налазить на зовнішню рейку конічною і навіть радіусною поверхнею, що розташована між конічною поверхнею котіння з уклоном 1:20 і поверхнею гребеня. Ураховуючи, що в кривих довжина зовнішньої рейки більше, чім внутрішньої, а колеса насаджені на одну вісь і мають рівні по колу котіння діаметри, то колесо, що просто котиться по зовнішній рейці, вимушено проковзувати частину свого шляху, що веде до примусового зношення бандажу. Якщо ж воно під час виникаючої горизонтальної сили наповзає конічною поверхнею і навіть гребенем на зовнішню рейку, то котіння цього колеса вже йде по більшому колу котіння, а кочення внутрішнього колеса по меншому. В результаті теоретично колеса проходять без проковзування різні шляхи при одній і тій же частоті обертання [3]. В дійсності це неймовірно, щоб зовнішнє колесо піднялось саме на той діаметр, який може компенсувати зайвий пробіг без ковзання і привести до одного розміру довжини пробігів по зовнішній та внутрішній рейкам, то 77019 4 му що ця ситуація залежить від вдалого сполучення таких факторів, як радіус кривизни кривої ділянки, величина підвищення зовнішньої рейки над внутрішньою, швидкість проходження поїзда, навантаження окремих вагонів, ступінь зношення гребеня коліс і таке інше. Крім ковзання по рейці поверхні котіння колеса при проходженні кривих з малим радіусом кривизни виникає проблема взаємодії рейки з гребенем колеса з обов’язковим жорстким тертям бокової внутрішньої поверхні головки зовнішньої рейки з контактною поверхнею гребеня зовнішнього колеса, що викликає інтенсивне зношення гребеня колеса у вигляді вертикального підрізу та гострокінцевого накату, а також інтенсивне зношення бокової поверхні головки рейки, з якою контактує гребінь колеса. Аналіз технічних властивостей відомого технічного рішення по взаємодії рейкової колії і колеса при експлуатації на кривих ділянках колії з малим радіусом кривизни дозволяє зробити висновок, що прийоми зменшення взаємного тертя та зношення рейки та колеса в цих умовах у вигляді підвищення зовнішньої рейки до 150мм і вище в залежності від радіусу кривої та дозволеної швидкості руху по ній і у вигляді упровадження періодичного змазування поверхні контакту головки рейки з гребенем колеса, а також упровадження різноманітних обмежень, не вирішують проблем контактної взаємодії рейки та колеса і не забезпечують досягнення технічного результату. В основу винаходу поставлена задача запропонувати спосіб та пристрій для зниження взаємного зношення рейки і коліс залізничного транспорту на кривих ділянках малого радіусу, які шляхом створення гарантованих умов рівності величин пробігів по зовнішній і внутрішній рейкам дозволять забезпечити виключення проковзування поверхні котіння зовнішнього колеса по поверхні котіння зовнішньої рейки, а також забезпечити зниження взаємного зношення бокової поверхні головки зовнішньої рейки і гребеня колеса та знизити величину вертикального підрізу і гострокінцевого накату на гребені коліс при проходженні кривих ділянок з малим радіусом кривизни. Поставлена задача вирішується тим, що заявляємий винахід усуває недоліки відомого рішення та пропонує більш ефективне технічне рішення з новим технічним результатом. Запропоноване рішення подається у вигляді групи винаходів, в яку входять спосіб та пристрій для зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту на кривих ділянках малого радіусу рейкової колії. При цьому суть способу зниження взаємного зношення рейки та коліс полягає в тому, що внутрішню рейку перед згинанням у горизонтальній площині по радіусу кривої і установкою в кривій ділянці піддають багаторазовому згинанню у вертикальній площині у відповідності з заданим профілем у вигляді спряжених дуг, які розташовують симетрично відносно горизонтальної середньої лінії, дотримуючи чергування випуклостей та угнутостей та зберігаючи на цій лінії точки спряження дуг і хорди створених при цьому сегментів, при умові дотримування рівності загальної суми довжин дуг, складаючих поверхню ко 5 тіння внутрішньої рейки, загальній довжині поверхні котіння зовнішньої рейки кривої ділянки. При цьому величину підвищення зовнішньої рейки встановлюють таку, щоб вона була не менше величини височини одного сегменту, створеного хордою та дугою вигину внутрішньої рейки в вертикальній площині над горизонтальною середньою лінією, що з’єднує точки спряження дуг сусідніх вигинів внутрішньої рейки. Запропонований пристрій для зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту на кривих ділянках колії малого радіусу містить внутрішню рейку, виконану хвилеподібною у вигляді спряження дуг, створених радіусними вигинами рейки в вертикальній площині з чергуванням випуклостей та угнутостей, причому довжина дуги одного радіусного вигину дорівнює сумі довжини хорди відповідного сегменту, створеного дугою цього радіусного вигину, та частини різниці між довжиною кола з радіусом зовнішньої та довжиною кола з радіусом внутрішньої рейок даної кривої ділянки колії в горизонтальній площині, що припадає на величину довжини цієї хорди, як частини довжини середньої лінії внутрішньої рейки. Окрім цього, величини й послідовність розміщення довжин хорд та височин сегментів, створених дугами радіусних вигинів внутрішньої рейки кривої у вертикальній площині, вибрані у відповідності з геометричним рядом чисел, наприклад, 1,044 1,091 - 1,19 -1,41 - 2, з наступними повторами, а величини кута та радіусу кожного сегмента, створеного дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, обчислені по формулам: 458,45 h l c2 4h 2 , l 0,01745 , де c - довжина хорди сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; l - довжина дуги сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; h - височина сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; r - кут сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, град.; r -радіус дуги сегменту, отворенного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м. Аналіз причинно-наслідкового зв'язку дозволяє зробити висновок, що наведені ознаки заявляємих способу та пристрою належать до суттєвих, тому що вони забезпечують досягнення нового технічного результату, відрізняючи заявляємі винаходи від відомого прототипа. Технічний результат забезпечується таким чином. Виконання пристрою, у даному випадку, внутрішньої рейки у кривій ділянці, хвилеподібною у вертикальній площині, у вигляді спряження дуг шляхом багаторазового згинання у відповідності з 77019 6 заявляємим способом при умові дотримування такої особливої ознаки, як рівність у кінцевому підсумку загальної суми довжин дуг, складаючих поверхню котіння внутрішньої рейки, загальній довжині поверхні котіння зовнішньої рейки, виключає головну причину ковзання зовнішніх коліс колісних пар залізничного транспорту по зовнішній рейці, яке має місце у зв'язку з різною довжиною внутрішньої та зовнішньої рейок у кривій ділянці. Внаслідок хвилеподібності довжина поверхні котіння внутрішньої рейки збільшується і стає рівною довжині поверхні котіння зовнішньої рейки, причому ця ознака закладається у конструкцію рейкової колії у кривій ділянці зразу при її спорудженні і зберігається при будь - яких умовах експлуатації кривої ділянки, тобто ця ознака усуває залежність від величини швидкості, від завантаження вагонів та інших змінних факторів, що виникають при проходженні залізничним транспортом кривої ділянки колії з малим радіусом кривизни. Виконання кожної дуги радіусного вигину з довжиною, рівною сумі довжини хорди та частини різниці між довжиною кола з радіусом зовнішньої і довжиною кола з радіусом внутрішньої рейок даної кривої ділянки колії у горизонтальній площині, що припадає на величину довжини цієї хорди, як частини довжини середньої лінії внутрішньої рейки , забезпечує рівномірне розподілення цієї різниці по всій довжині поверхні котіння внутрішньої рейки. Звичайно, можна чекати, що під час руху поїзда по рейковій колії, в якій одна з рейок виконана хвилеподібною, будуть виникати резонансні коливання та розгойдування вагонів, не дивлячись на наявність ресорного підвішування. У зв'язку з цим запропоновано величини довжин хорди та височин сегментів вибирати у відповідності з геометричним рядом чисел, тобто забезпечити їх змінність по величині, що у свою чергу допоможе виключити розгойдування вагонів поїзда. У кінцевому підсумку заявляємі спосіб та пристрій забезпечують зниження взаємного зношення рейок та коліс залізничного транспорту у кривих ділянках колії з малим радіусом кривизни. Сукупність нових ознак з відомими забезпечує виявлення нових технічних особливостей, наслідком яких є досягнення технічного результату. Заявлені спосіб та пристрій є новими, мають певний винахідницький рівень і придатні для промислового виготовлення та використання в умовах сучасних залізниць, у зв'язку з чим їм може бути надана правова охорона. На Фіг.1 схематично зображено криву ділянку колії (вид у плані); На Фіг.2 схематично зображено хвилеподібний профіль внутрішньої рейки з вигинами у вертикальній площині та позначеннями параметрів вигина. Заявлений спосіб призначений для усування причин інтенсивного взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту у кривих ділянках малого радіусу. Під час створення проекту кривої ділянки установлюють яким буде радіус внутрішR ньої рейки - в . Далі, приплюсував до нього ширину колії з необхідним для цього діапазону кривих ділянок розширюванням, визначають радіус 7 Rз зовнішньої рейки , що дозволяє визначити наскільки довжина кола з радіусом зовнішньої рейки буде більше довжини кола з радіусом внутрішньої рейки, тобто визначити величину А і яка частина цієї різниці припадає на один метр кола з радіусом внутрішньої рейки. Це дасть можливість визначити яку довжину повинні мати дуги l - при згинанні внутрішньої рейки у вертикальній площині з метою забезпечення умов рівності суми довжин дуг на поверхні котіння у вигинах внутрішньої рейки довжині поверхні котіння зовнішньої рейки. Далі розраховують хвилеподібний профіль рейки, обравши початкову величину розміру хорди - c , та височини сегменту h і визнаючи інші параметри вигинів рейки у вертикальній площині з використанням, якщо це визнано за потрібне, чисел геометричного ряду, підходящого за своїми можливостями. Після виконання розрахунків усіх параметрів накреслюють хвилеподібний профіль майбутньої внутрішньої рейки і виконують її згинання у відповідності з цим профілем й параметрами кожного вигина. Після контролю виконаного профілю та параметрів кожного вигина на відповідність розрахункам параметрів внутрішньої рейки у вертикальній площини, виконують згинання її у горизонтальній площині у відповідності з заданим радіусом для внутрішньої рейки у кривій. Виготовлена внаслідок реалізації заявляемого способу внутрішня рейка має хвилеподібний профіль у вигляді спряжених дуг, створених радіусними вигинами рейки у вертикальній площині з чергуванням випуклостей та угнутостей, причому довжина дуги- l кожного радіусного вигину повинна дорівнювати сумі довжини хорди - с відповідного сегменту, утворенного дугою цього радіусного вигина, та частини різниці між довжиною кола з радіусом зовнішньої рейки і довжиною кола з радіусом внутрішньої рейки даної кривої ділянки колії у горизонтальній площині, що припадає на величину довжини цієї хорди, як частини довжини середньої лінії внутрішньої рейки, що позначена як . Величини та послідовність розміщення довжин хорд та височин сегментів вибрано у відповідності з геометричним рядом чисел, наприклад: 1,0441,091-1,19-1,41-2, що має забезпечити зниження можливості виникнення резонансних коливань та синхронного розгойдування транспорту у випадку, якщо, наприклад, височини усіх сегментів будуть однаковими. А величини кута та радіусу кожного сегменту, утворенного дугою та хордою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, розраховано по формулам: 458,45 h l c2 4h 2 , l 0,01745 , де c - довжина хорди сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; r 77019 8 l - довжина дуги сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; h - височина сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м; - кут сегменту, створеного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, град.; r - радіус дуги сегменту, отворенного хордою та дугою радіусного вигину внутрішньої рейки у вертикальній площині, м. Винахід можна проілюструвати шляхом реалізації на наступному прикладі. Допустимо, що необхідно обладнати криву ділянку з радіусом кривизни, що дорівнює 200м. Приймаючи радіус внутрішньої рейки Rв = 200м, визначаєм радіус зовнішньої рейки Rз - як суму радіусу внутрішньої рейки та ширини колії з розширюванням, яке для цього розміру кривизни буде дорівнювати 1540 мм, або 1,54 м, тоді Rз = Rв + 1,54 = 201,54 м. Різниця довжин кіл, створених радіусами зовнішньої та внутрішньої рейок кривої буде дорівнювати: A 2 R з 2 R в 2 (R в 1,54) 2 R в 2 1,54 м а , як частина А, що припадає на 1 м кола з радіусом внутрішньої рейки, буде дорівнювати: А 2 154 154 , , 0,0077 2 Rв 2 Rв 200 Це означає, що на кожний метр внутрішньої рейки припадає 1,0077 м зовнішньої рейки, тобто більше майже на 8 мм, які на шляху в 1000 км перетворюються у 8 км вимушеного ковзання поверхні котіння колеса по поверхні котіння головки зовнішньої рейки. Щоб виключити цю різницю, треба подовжити кожний метр внутрішньої рейки на ве0,0077 м , що можна зробити при умоличину ві збереження габаритів усієї будови у горизонтальній площині тільки шляхом багаторазового згинання поверхні котіння рейки уверх-униз у вертикальній площині таким чином, щоб кожна створена дуга прийняла на себе подовження і щоб у підсумку сума довжин дуг, створених вигинами поверхні котіння внутрішньої рейки дорівнювала довжині поверхні котіння зовнішньої рейки у кривій ділянці. Далі вибираємо геометричний ряд чисел, наприклад, 1,044-1,091-1,19-1,41-2, у відповідності з якими будуть обчислюватися параметри радіусних вигинів, почавши з вибору початкової величини хорди та височини сегменту, отворенного радіусним вигином внутрішньої рейки. Обираємо, наприклад со = 1 м та ho = 0,010 м. Тоді для сегменту першого вигину параметри будуть обчислюватися таким чином: довжина хорди сегменту: c 1 c o 1,044 1 1,044 1,044 м ; височина сегменту: h1 h o 1,044 0,010 1,044 0,0104 м ; 9 77019 величина c1 1,044 0,0077 o l1 1 r1 подовження: 0,0080 м ; довжина дуги сегмента: c , , 1 1 044 0,0080 1 052 м ; кут сегменту: 458,45 h1 l1 458,45 0,0104 1052 , 4,6 2 2 c 1 4h1 1044 2 4 0,0104 2 , радіус l1 0,01745 1 дуги 1,052 0,01745 4,6 сегменту: 13,1057 м . Величини параметрів інших вигинів внутрішньої рейки надано у таблиці 1. Як видно з наведеного розрахунку та таблиці розрахункові параметри можуть змінюватися у різних межах у залежно 10 залежності від чисел вибраного геометричного ряду, а також від вибраних, як початкові, величин хорди та височини сегменту. А саме важливе було викладено на початку, тому що величина необхідного подовження прямо залежить тільки від ширини колії з необхідним розширюванням і від радіуса внутрішньої рейки кривої, тобто чім менше радіус внутрішньої рейки у горизонтальній площині, тим більше величина необхідного подовження, що припадає на один метр внутрішньої рейки, і тим більше доцільність використування запропонованих способу та пристрою для зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту на кривих ділянках малого радіусу. Таблиця 1 Спосіб та пристрій для зниження взаємного зношення рейки та коліс залізничного транспорту Назва параметру Числа геометричного ряду Довжина хорди вигина, якщо початкова величина сo=1 м Частина різниці довжин кіл Rз и Rв, що припадає на с, якщо на 1 м дорівнює 0,0077м Довжина дуги вигину l c Один. вимір. м м м Височина сегменту h, якщо початкова величина h 0 0,010 м м Кут сегменту, отворенного дугою и хордою вигину, град Радіус сегменту, отворенного дугою и хордою вигину, r м Джерела інформації: 1. "Техническая эксплуатация железных дорог", изд. «Транспорт», Москва, 1975г., стр.240. 2. "Техническая эксплуатация железных дорог", изд. «Транспорт», Москва, 1975г., стр. 46. 1 1,044 с1 1,044 Номер вигина по черзі 2 3 4 1,091 1,19 1,41 с2 с3 с4 1,091 1,19 1,41 1 2 3 5 2 с5 2 4 6 1,044 с6 1,044 5 6 0,0080 0,0084 0,0092 0,0109 0,0154 0,0080 l1 l2 l3 1,052 1,0994 1,199 h1 h2 h3 0,0104 0,0109 0,0119 l4 l5 1,421 2,0154 h4 h5 0,0141 0,020 l6 1,052 h6 0,0104 1 2 3 4,6° 4,61° 4,61° r1 r2 r3 13,105 13,666 14,905 4 5 4,62° 4,62° r4 r5 17,626 24,999 6 4,6° r6 13,105 3. Н.И. Сидоров, Н.Н. Сидорова "Как устроен и работает электровоз", изд. «Транспорт», Москва, 1988г., стр. 152. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 77019 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601