Залізничне колесо

Реферат: Винахід стосується транспортного машинобудування, зокрема коліс залізничних транспортних засобів. Суть винаходу: Залізничне колесо має центральну площину, перпендикулярну осі обертання колеса, яке включає в себе обід, сформований поверхнею катання і гребенем, маточину і диск, утворений зовнішньою і внутрішньою поверхнями, виконаний таким чином, що теоретична середня лінія поперечного профілю диска проходить через першу точку, розташовану в місці з'єднання диска з ободом, центральну точку, де теоретична середня лінія має максимальне від центральної площини зміщення в сторону, протилежну до гребеня, і другу точку, що знаходиться в місці з'єднання диска з маточиною, причому зовнішня і внутрішня поверхні диска утворені відповідно зовнішніми і внутрішніми радіусними кривими, причому, для зовнішньої поверхні радіуси першої і другої зовнішніх радіусних кривих становлять від 0,04 до 0,05 діаметра кола катання, радіус третьої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіус четвертої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,07 до 0,09 діаметра кола катання, а для внутрішньої поверхні диска радіус першої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіуси другої і третьої внутрішніх радіусних кривих становлять від 0,06 до 0,08 діаметра кола катання, радіус четвертої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,04 до 0,06 діаметра кола катання, причому перша точка зміщена від центральної площини в протилежному до гребеня напрямку на відстані не UA 111763 C2 (12) UA 111763 C2 більше 0,08 ширини обода, центральна точка зміщена від центральної площини на відстань в інтервалі значень від 0,35 до 0,4 ширини обода, а друга точка зміщена від центральної площини в напрямку до гребеня на відстань не більше 0,1 ширини обода, а співвідношення товщини диска в першій точці до товщини диска у другій точці становить від 0,7 до 1,1, а співвідношення товщини диска в центральній точці до товщини у другій точці становить від 0,7 до 0,9. UA 111763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується транспортного машинобудування, зокрема конструкції залізничних коліс. Залізничні колеса, які використовуються в різних країнах, мають конструктивні відмінності, пов'язані з умовами експлуатації рухомого складу, конструкціями вагонів і локомотивів, а також з певними традиціями, що склалися при виробництві колісних пар і їх роботі на залізничному транспорті. Разом з тим у всіх випадках колесо складається з трьох основних частин: обода, маточини і диска. Вибір форми диска колеса є найважливішою задачею для забезпечення основних експлуатаційних характеристик колеса, таких, як маса, жорсткість і несуча здатність. У світовій практиці відомі колеса з різною конструкцією диска, часто продиктованою розмірами і взаємним розташуванням обода відносно маточини. Даний винахід призначений для використання на мережі європейських залізниць, де найбільше поширення одержали стандартні колеса з тангенціальним профілем диска, так звані ORE-колеса, які в цей час використовуються при навантаженнях не більше 22,5 тс на вісь колісної пари. Ця конструкція колеса має високий рівень напружень при дії теплових навантажень, які виникають при терті коліс об гальмові колодки, а також механічних навантажень, які діють на колесо при проходженні криволінійних ділянок шляху. Крім цього, істотним недоліком ORE-коліс є їх висока маса. Відома конструкція залізничного колеса, згідно з патентом DE 3117572, з диском дзвоноподібної форми, середня лінія якого визначена функцією косинуса, що набула широкого поширення на європейських залізницях при максимальних навантаженнях на вісь колісної пари до 23,5 тс. Дана конструкція має мінімальну масу серед всіх відомих аналогів. Однак, щоб використовувати дану конструкцію колеса для вищих осьових навантажень потрібне збільшення товщини диска колеса і стінок маточини, внаслідок чого, перевага нижчої ваги колеса втрачається. Один з варіантів вирішення даної проблеми описаний у винаході EP 1470006, взятий за прототип винаходу, що заявляється, де поперечний профіль диска колеса розташований навколо теоретичної середньої лінії, що проходить через три характерні точки, при цьому вказана перша точка, в місці сполучення диска з ободом, і вказана друга точка, в місці сполучення диска з маточиною, розташована на одній площині, яка перпендикулярна до осі обертання колеса і зміщена від центральної площини у бік зовнішньої поверхні обода колеса. Відстань між вказаною площиною і вказаною центральною точкою теоретичної середньої лінії диска колеса становить максимально 0,5 від ширини обода колеса. Перевагою даної конструкції є можливість збільшення товщини диска в зоні його сполучення з маточиною, де високий рівень напружень від дії механічних навантажень, однак маса даної конструкції і рівень напружень від термічних навантажень значно збільшується порівняно з колесом згідно з патентом DE 3117572. Колеса даної конструкції не знайшли широкого використання. Технічним результатом, на досягнення якого спрямований створений даний винахід, є вибір оптимальної форми диска колеса, яка здатна забезпечити підвищені експлуатаційні характеристики залізничного колеса, а саме: - низько напружений стан колеса від дії експлуатаційних навантажень; - можливість використання з максимальним навантаженням на вісь більше 23,5 тс, нарівні із забезпеченням мінімальної маси конструкції серед всіх відомих аналогів; - низький ступінь бічної деформації обода колеса при його нагріванні, в процесі тертя об гальмові колодки, і подальшому охолоджуванні. Технічний результат досягається тим, що залізничне колесо, що має центральну площину, перпендикулярну осі обертання колеса, яке включає в себе обід, сформований поверхнею катання і гребенем, маточину і диск, утворений зовнішньою і внутрішньою поверхнями, виконаний таким чином, що теоретична середня лінія поперечного профілю диска проходить через першу точку, розташовану в місці з'єднання диска з ободом, центральну точку, де теоретична середня лінія має максимальне від центральної площини зміщення в сторону протилежну до гребеня, і другу точку, яка знаходиться в місці з'єднання диска з маточиною, причому зовнішня поверхня диска утворена з боку обода першої зовнішньої радіусної кривої і з боку маточини другої зовнішньої радіусної кривої з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої, зв'язаних між собою в центральній частині диска третьої, з боку обода, і четвертої, з боку маточини, зовнішніми радіусними кривими з кривизною, протилежною у напрямку кривизні першої і другої зовнішніх радіусних кривих, а внутрішня поверхня диска утворена з боку обода першої внутрішньої радіусної кривої і з боку маточини другої внутрішньої радіусної кривої з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої, зв'язаних між собою в центральній частині диска третьої, зі сторони обода, і четвертої, зі сторони маточини, внутрішніми радіусними кривими з кривизною, 1 UA 111763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 протилежною по напрямку кривизні першої і другої внутрішніх радіусних кривих, при цьому для зовнішньої поверхні радіуси першої і другий зовнішніх радіусних кривих становлять від 0,04 до 0,05 діаметра кола катання, радіус третьої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіус четвертої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,07 до 0,09 діаметра кола катання, а для внутрішньої поверхні диска радіус першої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіуси другої і третьої внутрішніх радіусних кривих становлять від 0,06 до 0,08 діаметра кола катання, радіус четвертої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,04 до 0,06 діаметра кола катання, причому, перша точка зміщена на відстань не більше 0,08 ширини обода від центральної площини в протилежному до гребеня напрямку, центральна точка зміщена від центральної площини на відстань в інтервалі значень від 0,35 до 0,4 ширини обода, а друга точка зміщена на відстань не більше 0,1 ширини обода від центральної площини в напрямку до гребеня, а співвідношення товщини диска в першій точці до товщини диска у другій точці становить від 0,7 до 1,1, а співвідношення товщини диска в центральній точці до товщини у другій точці становить від 0,7 до 0,9. При гальмуванні колодками колесо здатне поглинути цикли теплового навантаження, що неодноразово повторюються, потужністю 55 кВт протягом 45 хвилин, без яких би то не було негативних наслідків відносно ступеню деформації обода при його нагріванні і подальшому охолоджуванні. Крім цього, співвідношення товщини диска в першій точці до товщини диска у другій точці в діапазоні від 0,7 до 1,1 і співвідношення товщини диска в центральній точці до товщини диска у другій точці в діапазоні від 0,7 до 0,9, нарівні з вказаною вище конфігурацією диска, дає можливість посилити найбільш напружені частини колеса в місцях з'єднання диска з ободом і маточиною, забезпечуючи тим самим можливість експлуатації коліс з максимальним навантаженням на вісь більше 23,5 тс при масі конструкції меншої на 5-10 % всіх відомих аналогів. Вибір інших значень радіусів кривих, які утворюють зовнішню і внутрішню поверхні диска колеса вказаної конфігурації, інтервалів і напрямку зміщень від центральної площини характерних точок теоретичної середньої лінії диска, а також співвідношення товщини в цих точках, не дозволяє досягти оптимального поєднання низько напруженого стану конструкції колеса від дії різних видів експлуатаційних навантажень, мінімальної маси і задовільного ступеню бічної деформації обода при тепловому навантаженні. Суть винаходу пояснюється наступними кресленнями і діаграмами, де: на фіг. 1 представлений радіальний переріз залізничного колеса; на фіг. 2 представлена діаграма порівняльної оцінки механічних властивостей конструкції, що заявляється, і діючих конструкцій залізничних коліс; на фіг. 3a, 3b і 4a, 4b представлені діаграми порівняльної оцінки термомеханічних властивостей конструкції, що заявляється, і діючих конструкцій залізничних коліс. Залізничне колесо, зображене на фіг. 1, має центральну площину Р, перпендикулярну осі обертання колеса Z, яка включає в себе обід 1, сформований поверхнею катання 2 і гребенем 3, маточину 4 і диск 5, утворений зовнішньою 6 і внутрішньою 7 поверхнями, виконаний таким чином, що теоретична середня лінія 8 поперечного профілю диска 5 проходить через першу точку А, розташовану в місці з'єднання диска 5 з ободом 1, центральну точку С, де теоретична середня лінія 8 має максимальне від центральної площини Р зміщення в сторону протилежну до гребеня 3, і другу точку В, що знаходиться в місці з'єднання диска 5 з маточиною 4. Вказана центральна площина Р диска 5 колеса проходить через обід 1 колеса в місці вимірювання діаметра кола катання D. Зовнішня поверхня 6 диска 5 утворена з боку обода 1 першої зовнішньої радіусної кривої R1 і з боку маточини 4 другої зовнішньої радіусної кривої R2 з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої R1, зв'язаних між собою в центральній частині диска 5 третьою R3, з боку обода 1, і четвертою R4, з боку маточини 4, зовнішніми радіусними кривими з кривизною, протилежною у напрямку кривизні першої R1 і другої R2 зовнішніх радіусних кривих, а внутрішня поверхня 7 диска 5 утворена з боку обода 1 першої внутрішньої радіусної кривої R5 і з боку маточини 4 другої внутрішньої радіусної кривої R6 з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої R5, зв'язаних між собою в центральній частині диска 5 третьою R7, з боку обода 1, і четвертою R8, з боку маточини 4, внутрішніми радіусними кривими з кривизною, протилежною у напрямку кривизні першої R5 і другої R6 внутрішніх радіусних кривих. Перша точка А зміщена на відстань H1 не більше 0,08 ширини обода Н від центральної площини Р в протилежному до гребеня 3 напрямку, центральна точка С зміщена від центральної площини Р на відстань H2 в інтервалі значень від 0,35 до 0,4 ширини обода Н, а 2 UA 111763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 друга точка В зміщена на відстань Н3 не більше 0,1 ширини обода Н від центральної площини Р в напрямку до гребеня 3. Співвідношення товщини T1 диска 5 в першій точці А до товщини T2 диска 5 у другій точці В становить від 0,7 до 1,1, а співвідношення товщини Т3 диска 5 в центральній точці С до товщини T2 у другій точці В становить від 0,7 до 0,9. Вибір оптимальної форми диска колеса, згідно з винаходом, здійснений з використанням серії звичайно-елементних розрахунків різних варіантів конструкцій по методиках, описаних в стандарті UIC 510-5 і звіті UIC В 169/RP 17, які дозволяють визначати напруженодеформований стан колеса від дії механічних і термічних навантажень, найбільш критичних при експлуатації. За результатами проведених згідно з вимогами EN 13979-1 розрахунків конструкція, яка заявляється, як показано на фіг. 2, має кращі порівняно з аналогічними за призначенням конструкціями коліс ВА314/324 і ВА318/319 характеристики утомної міцності диска, нарівні із забезпеченням меншої конструкційної маси на 7 і 19 кг відповідно. Результати комп'ютерного моделювання стендових випробувань при гальмуванні коліс, наведені на фіг. 3a, 3b і 4a, 4b і виконані згідно з UIC В 169/RP 17, характеризують конструкцію, що заявляється ступенем бічної деформацій обода і рівнем напруг в диску, порівнянних з існуючими аналогами. Проведений заявником аналіз рівня техніки, який включає пошук по патентних і науковотехнічних джерелах інформації, і виявлення джерел, які містять відомості про аналоги винаходу, що заявляється, дозволило встановити, що заявник не виявив аналог, який характеризується ознаками тотожними (ідентичними) всім істотним ознакам винаходу, що заявляється. Визначення з переліку виявлених аналогів прототипу дозволило виявити сукупність істотних відносно технічного результату, який вбачається відмітних ознак в заявленому "Залізничному колесі", викладених в формулі винаходу. Результати пошуку показали, що винахід, який заявляється, не витікає для фахівця явним чином з відомого рівня техніки, визначеного заявником, не виявлений вплив перетворень, які передбачаються істотними ознаками винаходу, який заявляється, на досягнення технічного результату. Запропонований винахід може використовуватися для всіх моделей залізничних транспортних засобів, на яких застосовуються колодкові гальма, особливо для залізничних вантажних вагонів, ведучих транспортних засобів і локомотивів. Хороша узгодженість утомної міцності в критичних зонах колеса - в місцях переходу диска колеса в маточину і обід, дозволяє використовувати дану конструкцію також для залізничного транспорту, де замість колодкового гальма використовуються дискові гальма, що має місце застосовно до пасажирських вагонів. Колесо, згідно з винаходом, може бути виготовлене зі сталі будь-якої якості, що використовується в залізничній промисловості, і виготовлене згідно з відомими технічними вимогами і стандартами, розкочуванням, штампуванням або литтям. Теоретичні дослідження і випробування залізничних коліс з конфігурацією диска, згідно з заявленою формулою, застосовно до вантажних вагонів для мережі європейських залізниць, показали відповідність всім вимогам безпеки і здатність забезпечення оптимального рівня експлуатаційних характеристик коліс. Цим доводиться досягнення технічного результату, що убачається заявником. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Залізничне колесо, що має центральну площину, перпендикулярну осі обертання колеса, яке включає в себе обід, сформований поверхнею катання і гребенем, маточину і диск, утворений зовнішньою і внутрішньою поверхнями, виконаний таким чином, що теоретична середня лінія поперечного профілю диска проходить через першу точку, розташовану в місці з'єднання диска з ободом, центральну точку, де теоретична середня лінія має максимальне від центральної площини зміщення в сторону, протилежну до гребеня, і другу точку, що знаходиться в місці з'єднання диска з маточиною, причому зовнішня поверхня диска утворена з боку обода першої зовнішньої радіусної кривої і з боку маточини другої зовнішньої радіусної кривої з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої зовнішньої радіусної кривої, які зв’язані між собою в центральній частині диска третьої, з боку обода, і четвертої, з боку маточини, зовнішніми радіусними кривими з кривизною, протилежною у напрямку кривизні першої і другої зовнішніх радіусних кривих, а внутрішня поверхня диска утворена з боку обода першої внутрішньої радіусної кривої і з боку маточини другої внутрішньої радіусної кривої з кривизною, яка співпадає у напрямку з кривизною першої внутрішньої радіусної кривої, зв'язаних між собою в 3 UA 111763 C2 5 10 15 центральній частині диска третьої, зі сторони обода, і четвертої, зі сторони маточини, внутрішніми радіусними кривими з кривизною, протилежною по напрямку кривизні першої і другої внутрішніх радіусних кривих, яке відрізняється тим, що для зовнішньої поверхні диска радіуси першої і другої зовнішніх радіусних кривих становлять від 0,04 до 0,05 діаметра кола катання, радіус третьої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіус четвертої зовнішньої радіусної кривої становить від 0,07 до 0,09 діаметра кола катання, а для внутрішньої поверхні диска радіус першої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,08 до 0,1 діаметра кола катання, радіуси другої і третьої внутрішніх радіусних кривих становлять від 0,06 до 0,08 діаметра кола катання, радіус четвертої внутрішньої радіусної кривої становить від 0,04 до 0,06 діаметра кола катання, причому перша точка зміщена на відстань не більше 0,08 ширини обода від центральної площини в протилежному до гребеня напрямку, центральна точка зміщена від центральної площини на відстань в інтервалі значень від 0,35 до 0,4 ширини обода, а друга точка зміщена на відстань не більше 0,1 ширини обода від центральної площини в напрямку до гребеня, а співвідношення товщини диска в першій точці до товщини диска у другій точці становить від 0,7 до 1,1, а співвідношення товщини диска в центральній точці до товщини у другій точці становить від 0,7 до 0,9. 4 UA 111763 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 5