Універсальне колесо

1. Універсальне колесо, що містить контактуючі між собою по сферичній поверхні обід і маточину, які зв'язані між собою пружними елемента 3 85081 тво забезпечується автоматично під впливом внутрішніх сил, що діють у колесі. Якщо поверхня рейки плоска, а колесо циліндричне, то самовідцентровування здійснюється дією зовнішніх сил, тому що при нахилі колеса контакт по лінії переходить у контакт в точці з появою сили реакції та плеча А, виникає крутячий момент у зворотньому напрямку пропорційний масі крана і величині віддалення центра мас m від вісі симетрії рейки. Якщо поверхня рейки криволінійна і поверхня кочення колеса також криволінійна, то можливі варіанти, коли колесо залишається у нахиленому (не вертикальному) положенні і ефект самовстановлення знижується. Усунення цього недоліку перетворює колесо в універсальне за призначенням та з'являється можливість використання його для залізничного транспорту, трамваїв, ша хтних вагонеток тощо, а колесо при цьому може бути одноребордним і мати будь-який профіль Крім того, стає можливим будівництво і експлуатація криволінійних кранових естакад. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення конструкції колеса шляхом змінення конструкції пружних елементів та їх принципу дії при сумісній роботі з автоматичним суміщенням площин симетрії колеса і рейки. Для вирішення поставленої задачі в універсальному колесі крана, що містить сполучені між собою сферичними поверхнями обід і маточину, зв'язані пружними елементами, обід виконаний складеним з кілець з рівномірно розміщеними по колу округленими пазами, згідно винаходу, пружні елементи виконані у вигляді овальних кілець, розміщених в трапецеїдальних заглибленнях з криволінійними пазами поперемінне перпендикулярно один до одного з можливістю змінення форми і положення в просторі, а радіуси кривизни донних частин і вершин трапецеїдальних заглиблень та радіуси кривизни контактних поверхонь овальних кілець рівні з припустимим відхиленням розмірів від 1% до 20%. Виконання пружних елементів у вигляді овальних кілець дозволяє реалізовувати Функцію пружного поглинання динамічних навантажень, які виникають при взаємодії колеса з рейкою найбільш просто і дешево, тому що кільце - стандартна деталь і може масово виготовлятись точною штамповкою, а підбором марки сталі, геометричних розмірів та режиму термозміцнення можливо забезпечити будь-які характеристики пружності- У винаході наведена конструкція овальних кілець і форми трапецеїдальних заглиблень однакова для роботи у взаємоперпендикулярних площинах, але можливі будь-які сполучення і співвідношення геометричних розмірів пропорційно заданим навантаженням і переміщенням. Використання кілець в якості пружних елементів обумовлює специфічність форми заглиблень у маточині і ободі, які є прямокутними в основі з похилими до вершини сторонами і криволінійними вершинами, що служать контактними пазамиваправляючими. Розміщення по периметру сферичних поверхонь обода і маточини пазів і кілець поперемінно 4 перпендикулярно один до одного з можливістю змінення форми кілець під навантаженням та їх положення в просторі під дією динамічних сил дозволяє рознести в часі і просторі функції самовстановлення колеса щодо рейки по всім напрямкам, завдяки чому при будь-якому сполученні різноспрямованих і різних по величині сил вісі симетрії колеса і рейки зводяться (суміщуються) під дією внутрішніх пружних сил та автоматично виставляються по вертикалі. Кільця, площини яких розміщені в радіальній площині колеса, поглинають динамічні навантаження у режимах розгону та гальмування або при ударах в стики рейок. Кільця, площини яких розміщені перпендикулярно радіальній площині колеса, поглинають динамічні навантаження у режимах перекосу моста крана або у випадках непаралельності та кривизни рейок. Виконання радіусів кривизни донних частин і вершин трапецеїдальних заглиблень та радіусів кривизни контактних поверхонь овальних кілець рівними з припустимим відхиленням від 1% до 20% дозволяє точно без люфтів сумістити з самовстановленням і самоцентруванням контактні робочі поверхні пружних елементів та їх посадкові місця - трапецеїдальні заглиблення з похилими краями і криволінійними пазами по максимально можливій площині, що знижує питомі контактні навантаження і знос деталей колеса. Відхилення розмірів радіусів кривизни контактних поверхонь менше 1% значно здорожує виготовлення колеса, а більше 20% знижує ефект самоцентрування овальних кілець. Пружні елементи у вигляді овальних кілець в конструкції універсального колеса крана є базовими елементами, які зумовлюють всю решту геометричних розмірів деталей, що дозволяє оптимізувати службові (споживацькі) характеристики колеса і трудомісткість його виготовлення. Таким чином, сукупність характеристик технічного рішення, що заявляється, забезпечує високий рівень надійності роботи і довговічності колеса крана під дією динамічних навантажень з максимально реалізованим ефектом автоматичного суміщення площин симетрії колеса і рейкового шляху, який недосяжний при використовуванні прототипу, та відкриває принципово нові сфери застосування універсального колеса, а саме на залізничному транспорті, в шахтних вагонетках, трамваях тощо. За наслідками пошуку по патентній і науковотехнічній літературі у відповідних рубриках МПК і УДК сукупність істотних ознак, частково або повністю співпадаючих з тими, що заявляються і дозволяють вирішити поставлену задачу, не виявлена ні в одному відомому те хнічному рішенні. Отже, винахід, що заявляється, відповідає критерію «новизна». З відомого рівня техніки сукупність істотних ознак технічного рішення, що заявляється, з очевидністю не витікає. Отже, винахід, що заявляється, відповідає критерію «рівень винахідництва». Винахід пропонується використовувати на всі х підприємствах, що експлуатують мостові крани і виготовляють для них запасні частини, зокрема, ходові колеса, а також на кранобудівних заводах 5 85081 для комплектації кранів, що виготовляються. Отже, винахід, що заявляється, відповідає критерію «промислова застосовність». Надалі винахід пояснюється докладним описом його конкретного виконання з посиланнями на креслення. На Фіг.1 представлений розріз колеса крана в початковому стані в перетині В-В. На Фіг.2 представлений розріз колеса крана в початковому стані в перетині Б-Б На Фіг.3 зображена конструкція колеса в початковому стані в перетині А-А Фіг.1 та показані перетини Б-Б і В-В, які наведені на Фіг.1 та Фіг.2. На Фіг.4 представлений розріз колеса крана (нижня частина колеса Фіг.1) під дією відхиляючої сили F при максимальному куті b нахилу колеса і зсуву D осей симетрії рейки та колеса. На Фіг.5 зображені положення деталей колеса крана під дією відхиляючої сили F при максимальному куп а нахилу колеса і пружного елементу в перетині Б-Б Фіг.21 Фіг.3. На Фіг.6 представлена частина колеса крана і положення його деталей на Фіг.3 в перетині А-А під дією крутячого момент)1 М в режимі торкання з місця при максимальних ку гак нахилу пружних елементів g і j. Універсальне колесо крана містить маточину 1 з трапецеїдальними заглибленнями 2 і 3 з криволінійними пазами 4 та 5, складений обід 6 з трапецеїдальними заглибленнями 7 і 8 з криволінійними пазами 9 та 10 відповідно, розміщеними рівномірно по колу і дзеркально щодо сферичного шарніру 11, утвореного сполученням увігнутої і опуклої сферичних поверхонь торців обода і маточини. Складений обід б утворюється жорстким сполученням, за допомогою кріпильних деталей 12, з кільцевим сегментом 13, який вкладається в кільцевий паз 14, як це показано на Фіг.1, Фіг.2 та Фіг.3 в перетинах А-А, Б-Б та В-В. В трапецеїдальних заглибленнях ободу та маточини розміщені з можливістю повертання і зміни форми пружні елементи у вигляді овальних кілець 15 та 16. Трапецеїдальні заглиблення з криволінійними пазами ободу і маточини по відношенню один до одного розміщені попарно співвісно дзеркально з чередуванням напряму повздовжніх осей пазів і таке конструкційне рішення автоматично виставляє пружні елементи у вигляді овальних кілець 15 і 16 послідовно по колу перпендикулярно один до одного, як це показано на Фіг.3. В конструкції, що заявляється, всі овальні кільця 15 та 16 показані однакових геометричних розмірів і є взаємозамінними, відповідно всі геометричні форми трапецеїдальних заглиблень та радіусів кривизни криволінійних пазів однакові. У зв'язку з симетрією розміщення деталей колеса умовно парні елементи конструкції позначені позиціями 2, 4, 7, 9, 15, а непарні позиціями 3, 5, 8, 10, 16. Наприклад, непарні овальні кільця 16 розміщені у трапецеїдальних заглибленнях 3 і 8 з орієнтацією їх довжини по периметру сферичного шарніра 11 в радіальній осі симетрії колеса, як показано на Фіг.2, Фіг.3 перетин Б-Б, Фіг.5, а парні овальні кільця 15 розміщені у трапецеїдальних заглибленнях 2 і 7 з орієнтацією їх довжини попе 6 рек радіальної осі симетрії колеса паралельно осі обертання колеса (по товщині колеса), як показано на Фіг.1, Фіг.3 перетин В-В Фіг.4. Якщо всі геометричні розміри овальних кілець та трапецеїдальних заглиблень відповідно рівні, то рівні і всі зображені на малюнках кути, тобто a = b = g = j. Базовим є кут a - кут нахилу бокових сторін трапецеїдальних заглиблень, яким обмежують відносне переміщення ободу щодо маточини по сферичному шарніру. Кут b - кут на хилу ободу колеса під дією бічних зовнішніх сил F, який зумовлює відхилення від вертикалі радіальної площини симетрії обода і величину D. Кути g і j - похідні від кута а показані для пояснення. Колесо крана працює таким чином. У початковому положенні в стані спокою деталі колеса знаходяться співвісно симетрично щодо один одного, як показано на Фіг.1, Фіг.2 і Фіг.3. У момент включения електроприводу під дією крутячого моменту М виникає пара сил Р (Фіг.6), від якої маточина 1 починає провертатися в сферичному шарнірі 11 в радіальній площині щодо загальмованого масою крана обода 6. Завдяки вільній установці пружних елементів - овальних кілець 15 і 16 в трапецеїдальних заглибленнях 2, 7 і 3, 8 ободу і маточини; овальні кільця синхронно починають провертатися в сферичних шарнірах, утворених поверхнями донних частин криволінійних пазів 4, 9 і 5, 10 і зовнішніми криволінійними поверхнями овальних кілець, в напрямі обертання маточини, як показано на Фіг.6. При цьому парні овальні кільця 15 вільно нахиляються на кут j в трапецеїдальних заглибленнях 7 ободу і 2 маточини, а непарні овальні кільця 16 під дією пари сил Р починають пружно деформуватися, змінюючи свою форму в межах, які задаються величиною кута g і співвідношенням кутів j і g. Звичайно ці кути рівні. У міру зростання крутячого моменту М, маточина 1 плавно повертається відносно початкового положення на кут від 0 до jмах, який задається в межах 0,5°-1,3° в залежності від співвідношення радіусів сфери сферичного шарніра Rс і радіуса колеса по поверхні кочення. Як тільки сили опору обертанню обода урівноважаться з сумарним зусиллям пружної деформації корпусів всіх пружних елементів - овальних кілець, колесо починає плавно рушати з місця, запобігаючи режиму пробуксовування, а при гальмуванні - режиму юза. Після подолання пікового навантаження накопичена пружними елементами енергія пружності плавно повертає їх в положення, близьке до початкового, залежно від поточної величини сил опору коченню колеса. Жорсткість характеристик пружних елементів розраховують, виходячи з критерію їх постійної роботи в умовах пружного вигину (як ресори), що забезпечується підбором співвідношень геометричних розмірів пружного елементу: довжини і ширини (великої і малої осей овалу), радіусів закруглень, профілю в поєднанні з маркою сталі і твердістю після термообробки пропорційно потужності електроприводу. При дії середньої величини крутячого моменту електроприводу, сумарну пружність корпусів пружних елементів вибирають такою, щоб утримувати розмір ширини овального кільця на 1-2мм менший 7 85081 від його початкової ширини (малої осі овалу) без навантаження з урахуванням кількості пружних елементів, застосованих в колесі (оптимально 8...12шт.). У кінцевій межі при пікових Рмах (ударних) навантаженнях, наприклад, при екстреному гальмуванні або переході через різновисотні стики рейок бічні поверхні овальних кілець 15 контактують з похилими стінками трапецеї дальних заглиблень 2 і 7, при цьому вони починають виконувати функції шпонок і запобігають руйнуванню овальних кілець 16. Кут на хилу a бічних стінок трапецеїдальних заглиблень задають в межах 0,5°-10,0° - цей кут визначає і обмежує величину кутів повороту j і g маточини щодо обода в радіальній площині сферичного шарніра 11 у напрямі обертання (і навпаки). При дії бічних зусиль F на реборди колеса, виникаючих від перекосу моста крана, непаралелі і кривизни рейок, і інших причин, універсальне колесо працює в площинах перпендикулярних радіальній площині таким чином. Бічна сила F, діюча в місці контакту бічної поверхні рейки і реборди колеса, створює обергаючий момент щодо центру маси колеса m з плечем рівним радіусу колеса, який у разі монолітної конструкції колеса згинає його вісь обертання, але наявність сферичного шарніра усередині колеса розвантажує цю вісь обертання, завдяки можливості повороту обода колеса щодо маточини, що набагато разів знижує величину сили F до величини зусилля тертя між поверхнями сферичного шарніра 11. Як показано на Фіг.2, Фіг.4, Фіг.5 обід 6, повертаючись в сферичному шарнірі 11 у вертикальній площині щодо маточини у напрямі дії сили F, самовстановлює поверхні катання рейки і колеса без їх поперечного ковзання щодо один одного, що різко знижує знос пари тертя. В цьому випадку овальні кільця 16 вільно повертаються в межах кута a і ковзають своїми криволінійними вершинами по криволінійних пазах 5 маточини і 10 ободу в напрямі перпендикулярному радіальній площині симетрії колеса, як показано на Фіг.5 до моменту торкання бічних поверхонь з похилими плоскими сторонами трапецеїдальних заглиблень 3 і 8. Послідовне перпендикулярне розміщення овальних кілець забезпечує розподіл функцій пружних елементів по напрямках. Непарні овальні кільця 16, пружно деформуючись в радіальній площині колеса, поглинають динамічні навантаження від крутячого моменту M, які діють на колесо у режимах розгону і гальмування крана або зм'якшують удари при переході колеса через стики рейок. Парні овальні кільця 15, пружно деформуючись в осьовій площині колеса, поглинають динамічні навантаження від поперечних сил F, які діють на колесо при перекосах крана, непаралелі рейок кранового шляху або їх кривизні (Фіг.1 і Фіг.4) При переміщенні крана по рейках, тобто при обертанні коліс, овальні кільця 15 і 16 працюють незалежно один від одного, але сумісно поглинають будь-які динамічні навантаження у будь-якому положенні у просторі в межах обмежень, які задаються величинами кутів a та b, як показано на Фіг.4 та Фіг.6. 8 Ступінь самовстановлення колеса крана щодо рейки задають вибором для кожного типу крана величини кута a і глибини трапецеїдальних заглиблень ободу і маточини, обмежуючи поворот ободу по сферичному шарніру 11. Оскільки величина непаралелі монтажу рейок і їх кривизна обумовлені будівельними нормами і правилами, то для реалізації самовстановлення коліс кранів щодо рейкового шля ху достатньо величину кута a обмежити діапазоном 0,5°...1,5°, що при відповідних діаметрах коліс дозволяє забезпечити зсув реборд колеса від розрахункового положення осі симетрії рейки на величину D=±30мм. За наявності перекосу колеса під дією бічної сили F в процесі обертання колеса кінці овальних кілець здійснюють поворотно-зворотню ходу від однієї похилої стінки трапецеїдальних заглиблень до іншої при максимальному куті перекосу a, за напівоберта в одну сторону і в подальші напівоберта в іншу сторону по синусоїдальному закону руху по колу. За відсутності перекосу поворотно-зворотня хода пружних елементів відсутня, як показано па Фіг.1, Фіг.2 та Фіг.3. У проміжних режимах амплітуда коливань кіпців овальних кілець щодо осі симетрії колеса змінюється прямо пропорційно зміні величини кута a. При русі крана по рейковому шляху залежно від положення рейок щодо одна одної під дією сил F ободи коліс крана будуть повертатися щодо центру маси колеса m в тій або інший бік, при цьому найстійкіше положення колеса буде, коли осі симетрії рейки і колеса співпадають з центром маси m і цьому сприяє внутрішня пружна сила деформованих кілець 15, яка компенсує зовнішню силу F. Таким чином, реалізується ефект самоустановки коліс кранів щодо рейок. При критичних кутах перекосу моста щодо рейкового шляху в контакт з рейкою вступають обидві реборди колеса. В цьому випадку, завдяки наявності сферичного шарніра 11, обід 6 колеса повертається в горизонтальній площині, що запобігає заклинюванню моста і знижує сили тертя між рейкою і ребордами. Таким чином, реалізується ефект самовстановлення мостового крана щодо рейкового шляху. Конструкція універсального колеса крана, що заявляється, дозволяє уніфікувати безліч існуючих типів коліс. Наприклад, змінюючи лише геометричні розміри або кількість овальних кілець, стає можливим передавати весь діапазон крутячих моментів приводу колеса, а змінюючи лише діаметр кочення колеса, можливо змінювати швидкохідність крана в широких межах. Таким чином, винахід дозволяє при мінімальних витрата х набагато разів підвищити довговічність роботи мостових кранів і підкранових шляхів за рахунок багатократного зменшення динамічних ударних навантажень па рейки, осі коліс, підшипникові вузли та корпуси кранів порівняно з існуючими аналогами. 9 85081 10 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85081 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601