Залізничне колесо в.в. бодрова

Реферат: UA 105582 U UA 105582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до залізничних транспортних засобів і може бути використана в колісних парах візків пасажирських та швидкісних вантажних вагонів. Відомо безліч патентів, спрямованих на вирішення проблеми інтенсивного зносу коліс при русі в кривих шляху можливістю незалежного обертання обода щодо осі одного з коліс в колісній парі, наприклад [1], або можливості незалежного обертання однієї півосі від іншої, наприклад [2]. Конструкція по [1] видається раціональною, технологічною у виготовленні і тому може бути порівняно легко реалізованою. Колесо з рухомим ободом містить маточину і обід, встановлений на ній з можливістю обертання і фіксований від осьового переміщення, засоби фіксації виконані у вигляді розрізного кільця, фіксуючої планки і стопорних елементів, при цьому кільце встановлено у внутрішній кільцевій канавці, виконаній в ободі, планка, яка фіксує, встановлена в прорізи кільця, а стопорні елементи встановлені в пазах на стопорній планці і на кінцях кільця. Недолік конструкції - підвищена складність виготовлення розрізного кільця і планки, що фіксує, з пазами спеціальної форми і зі стопорними елементами. Відома порівняно невелика кількість патентів не з області ненаукової фантастики, спрямованих на вирішення відразу двох проблем - зниження інтенсивності зносу і підресорювання коліс, наприклад, шляхом закріплення між ободом і маточиною пружних елементів без можливості їх незалежного обертання, і незалежного обертання колеса щодо осі шляхом з'єднання маточини з віссю через підшипник [3]. Подібні конструкції належать переважно до шахтного рейкового транспорту - не дуже навантаженого і зовсім не швидкісного, з колесами порівняно малого діаметра. У колесі з підшипником на осі відцентрова та інші поперечні сили, передані на рейку гребенем, утворюють додаткове радіальне навантаження на підшипник, рівне поперечній силі, помноженій на відношення діаметра поверхні катання до ширини підшипника (принцип Г-подібного важеля), а в залізничному колесі поперечні сили істотні. Як прототип прийняте залізничне колесо, що включає маточину і обід з поверхнею кочення і гребенем, з'єднаний зі маточиною з можливістю незалежного обертання, зовнішня поверхня маточини і внутрішня поверхня обода виконані циліндричними, між ними без зазорів встановлене кільце з пружно-еластичного матеріалу з високою зносостійкістю і низьким коефіцієнтом тертя, товщина кільця дорівнює товщині обода на поверхні ковзання і відстані між боковинами, з'єднаними болтами, що проходять крізь бічні поверхні кільця, обід виконаний з впертими поверхнями, радіус яких більше свого внутрішнього радіуса щонайменше на півтори величини і більше зовнішнього радіуса боковин на величину допустимого радіального зміщення при максимальному навантаженні, і жорстко з'єднаний з гальмівним диском, оснащеним гальмівними накладками і пристроєм їх натискання. Додатково до цього, на поверхню ковзання пружно-еластичного кільця нанесений порошок високотеплопровідного м'якого антифрикційного матеріалу, наприклад, графіту, між суміжними поверхнями кільця і обода поміщена втулка з металу з низьким коефіцієнтом сухого тертя ковзання по сталі, наприклад, латуні, болти, що з'єднують боковини, оснащені розпірними втулками з високотеплопровідного металу, наприклад, бронзи, довжина втулок дорівнює товщині обода між боковинами [4]. Призначення пружно-еластичного кільця (надалі - кільце) і порошкового мастила не вимагає пояснень. Розділення поверхонь обода і кільця втулкою з антифрикційного металу усуває додатковий нагрів поверхні кільця від тертя. Рівність діаметрів кільця відповідним діаметрам маточини і обода, а його товщини - товщині обода і відстані між боковинами, створює замкнутий об'єм кільця, що істотно збільшує гадану жорсткість матеріалу кільця - при обертанні колеса в кожен момент часу деформація відбувається шляхом переміщення матеріалу із миттєвого низу в миттєвий верх порожнини навколо маточини і болтів, тобто зі збільшеним опором деформації при постійному обсязі, і забезпечує максимальну тепловіддачу поверхонь кільця, в якому при русі вагона безперервно перетворюється в теплоту близько 40 % енергії деформації зсуву нестисканого матеріалу, а болти з високотеплопровідними втулками, що проходять через кільце, відводять назовні тепло з обсягу матеріалу. У нестисканому матеріалі тиск нижньої частині обода передається на всі боки, у тому числі на боковини. Це навантаження замикають на себе болти, а розпірні втулки, довжина яких дорівнює товщині обода між боковинами, забезпечують щільне прилягання без стиснення боковин до обода - мінімізують тертя сталі по сталі при безперервному радіальному переміщенні і відносному обертанні обода в кривих шляху. У зв'язку зі значним можливим переміщенням обода щодо маточини стандартна гальмівна система вантажних вагонів з одностороннім притисненням гальмівних колодок до поверхні 1 UA 105582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 катання малоефективна, тому в прототипі передбачено кріплення до обода болтами гальмівного диска. Найбільш суттєві недоліки прототипу: - Складність конструкції і пов'язана з цим неприйнятна трудомісткість і дорожнеча виготовлення маточини. - Наявність болтових з'єднань в колесі, що зазнає вібрацій і ударів, змінних за величиною і напрямком сил, істотно підвищує можливу аварійність його експлуатації. - У процесі не дуже швидкого руху вагона відносно велика площа поперечного перерізу кільця створює можливість перетікання такого потоку об'ємно стисненого матеріалу, при якому квазістатичний ексцентриситет поверхні катання колеса щодо осі колісної пари може скласти 36 мм. При цьому з одного боку - м'яке підресорювання при радіальних ударах, що добре, з іншого - збільшується можливо на порядок еквівалентний коефіцієнт тертя катання колеса по рейці і ця додаткова робота кочення повністю переходить в тепло. Задача корисної моделі - спрощення та здешевлення конструкції, зниження опору коченню колеса, підвищення безпеки експлуатації. Задача вирішується за рахунок того, що в залізничному колесі, яке включає маточину і обід з поверхнею кочення і гребенем, з'єднаний зі маточиною з можливістю незалежного обертання, пружно-еластичне кільце, яке встановлене між ними без зазорів, втулку з метала з низьким коефіцієнтом сухого тертя ковзання по сталі між суміжними поверхнями кільця й обода та порошок високотеплопровідного м'якого антифрикційного матеріалу на поверхні ковзання, згідно з корисною моделлю, різниця радіусів зовнішньої та внутрішньої циліндричних поверхонь пружно-еластичного кільця знаходиться в межах 0,003-0,01 діаметра поверхні катання колеса при твердості матеріалу по Шору 60-80А, обід колеса виконаний з кільцевим пазом з боку гребеня і з радіальним упором з протилежного боку на внутрішнім радіусі, наприклад, із стандартного бандажа, що серійно виробляється, для рухомого складу залізних доріг широкої колії, маточина виконана відповідно зі стандартом на центри колісні катані або литі для залізничного рухомого складу, обід колеса, пружно-еластичне кільце та колісний центр з'єднані в складальну одиницю стопорним кільцем, при цьому радіальний переріз складальної одиниці вписується в радіальний переріз стандартного суцільнокатаного колеса рухомого складу залізних доріг широкої колії. Додатково до цього, висота радіального упору щонайменше удвічі більше товщини пружноеластичного кільця, в розріз стопорного кільця зібраного колеса вставлена і скріплена з ним поверхневим зварюванням стопорна пластина. Донедавна широко застосовувалися збірні колеса - колісний центр у вигляді маточини, диска криволінійної форми і обода (ГОСТ Р 55498-2013. Центри колісні катані для залізничного рухомого складу. Технічні умови; ГОСТ 4491-86. Центри колісні литі для рухомого складу залізниць колії 1520 мм) та бандаж, насаджуваний на колісний центр по гарячій і пресовій посадці (ГОСТ 398-96. Бандажі з вуглецевої сталі для рухомого складу залізниць широкої колії та метрополітену. Технічні умови). Є відпрацьовані технології їх масового виробництва і відповідне технологічне обладнання. У зв'язку з цим виготовлення обода і колісного центра пропонованого колеса з деталей, що масово виробляються, гранично спрощує і здешевлює процес реалізації пристрою. В даний час в рухомому складі залізниць використовуються переважно суцільнокатані колеса (ГОСТ 10791-2011. Колеса суцільнокатані. Технічні умови). Вони менш трудомісткі у виготовленні і головне - легші. У збірних колесах бандаж садять на колісний центр гаряче-пресовою посадкою, тривалість операції - більше 10 хвилин і за цей час бандаж не повинен охолонути нижче заданої температури, а для цього повинен бути досить масивним, колісний центр теж не повинен швидко нагрітися від насаджуваного бандажа, значить і його обід повинен бути масивним. При виробництві суцільнокатаного колеса немає потреби надмірно потовщувати обід і немає обода колісного центра, тому воно більш легке. Пропонована конструкція збирається з деталей однакової температури, товщина ободів колеса і колісного центра визначається тільки необхідною жорсткістю і колесо цілком вписується в розміри суцільнокатаного. Цим і обумовлена заявлена ознака. Різниця радіусів зовнішньої і внутрішньої циліндричних поверхонь пружно-еластичного кільця (надалі - кільця) або його товщина, а також величина його твердості визначає ступінь підресорювання і додатковий опір руху колеса. Твердість полімерів і гум прийнято характеризувати одиницями твердості за шкалою Шора А. Представляється раціональним прийняти матеріал кільця з характеристикою в межах твердості по Шору автомобільних шин, що дорівнює 60-80 А. 2 UA 105582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При товщині кільця менш ніж 0,003 діаметра колеса (2,85 мм) додаткового опору руху вагона на швидкості більше 20 км/год. практично не буде, але амортизуватися будуть переважно високочастотні коливання обода і незначно - удари на рейкових стиках. При товщині кільця більше 0,01 (9,5 мм) удари на рейкових стиках будуть амортизуватися задовільно, але додатковий опір руху буде відчутним на швидкості менше 40 км/год. При тривалій стоянці вагона товщина кільця внизу може зменшитися в кілька разів, відповідно зміститься вниз обід колісного центра щодо радіального упору обода колеса (надалі - обода). У цьому випадку для збереження можливості передачі поперечної сили від колісного центра обода по повному периметра радіального упору його висота має бути не менше подвійної товщини кільця. Вставка в розріз стопорного кільця потрібна для усунення його дебалансу, суттєвого при швидкості обертання колеса 500-600 об./хв. Умовно нерознімне кріплення стопорної пластини до стопорного кільця короткими неглибокими зварними швами встик спрощує виготовлення і збірку обох деталей, а при зміні обода в умовах депо поверхневі зварні шви легко розрізають, наприклад, абразивним диском. Відсутність в конструкції колеса болтових з'єднань підвищує безпеку його експлуатації. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де зображено: фіг. 1 - радіальний переріз колеса; фіг. 2 - вигляд А на фіг. 1; фіг. 3 - вигляд І на фіг. 1. Колесо складається з колісного центра 1 (фіг. 1-3), обода 2 з радіальним упором 3 (фіг. 1, 3), 4 поліуретанового кільця, розрізної тонкостінної втулки 5 (фіг. 3), наприклад, гнутої смуги з антифрикційного металу, шайби 6 з того ж металу, стопорного кільця 7 (фіг. 1, 2) з отворами 8 (фіг. 2) біля розрізу для можливості стиснення перед установкою в паз або виїмки з паза, і стопорної пластини 9. На зовнішню поверхню втулки 5 нанесено порошок графіту (не показаний). Втулка 5 виконана розрізною для можливості вільної деформації при зміні її температури. Пристрій працює наступним чином. Обід колеса чотиривісного вагона навантажений однією восьмою ваги брутто вагона, помноженої на коефіцієнт динаміки (до 0,47), плюс сила вітру і відцентрова, що розвантажують підвітряне і внутрішнє колесо і відповідно перенавантажують друге колесо. Сумарне вертикальне навантаження на обід створює напругу стиснення, що істотно перевищує допустиме напруження стиснення в одновимірно навантаженому матеріалі кільця, але в замкнутому об'ємі поліуретан, як і будь-який інший нестисливий матеріал, витримує без зміни обсягу на кілька порядків більший тиск всебічного стиску, при цьому допускає дуже істотну деформацію зрушення, включаючи текучість. А бічні сили від колісного центра 1 передаються на обід 2 через радіальний упор 3, минаючи кільце 4. При русі в кривій шляху виникають інерційні сили, спрямовані на зняття колісного обода 2 з колісного центра 1 на внутрішній рейці. Цьому перешкоджає стопорне кільце 7. Під навантаженням обода колісного центра 1 нерухомого колеса кільце 4 деформується, переважно пружно, з навантаженої нижньої частини матеріал поступово зсувається (перетікає) в ненавантажену верхню частину і колісний центр 1 переміщається вниз. Швидкість течії залежить від твердості матеріалу і товщини кільця 4, а переміщення колісного центра вниз - від часу стоянки. З початком руху вагона за половину обороту колеса колісний центр 1 накочується на найбільш товсту частину кільця 4 з переміщенням візка вгору, тобто зі збільшенням навантаження на потовщену частину кільця і деформація прямує в бік вирівнювання товщини. За кілька обертів колеса вона практично вирівнюється і при подальшому обертанні у миттєвій нижній точці має місце невелика деформація. Чим більше швидкість обертання колеса, тим менше ця деформація - матеріал не встигає деформуватися пропорційно навантаженню, оскільки її швидкість порівняно мала, площа поперечного перерізу потоку також мала при малій товщині кільця. На рейкових стиках і інших нерівностях шляху навантаження знизу ударно зростає і місцева деформація, переважно пружна, збільшується, але з меншою швидкістю, сила пружності швидко вирівнює товщину кільця 4. Таким чином відбувається підресорювання обода 2. У пружно-еластичному матеріалі енергія деформації витрачається на внутрішнє тертя молекулярних ланцюжків з виділенням тепла, причому в тепло перетворюється до 40 % витраченої енергії - відбувається автодемпфірування, яке практично виключає коливальні резонансні явища низької частоти - галопування і підскоки вагона. Оскільки зі збільшенням швидкості обертання деформація кільця 4 зменшується, зменшується і тепловиділення. 3 UA 105582 U 5 Теплота з кільця 4 віддаляється в колісний центр 1 і через втулку 5 в обід 2, а звідти передається повітряному потоку. У кривих шляху зовнішній шлях рейок довший внутрішнього і починає котитися з ковзанням одне з коліс або обидва одночасно, але оскільки коефіцієнт тертя ковзання сталі по сталі істотно більше, ніж латуні або бронзи по сталі, до того ж покритої графітовим порошком, обід повертається щодо осі колісної пари і ковзання по рейці припиняється. Таким чином, запропонована конструкція колеса відрізняється істотно більшою простотою і технологічністю у виготовленні, а значить меншою вартістю, має менший опір коченню колеса і безпечна в експлуатації 10 15 20 Джерела інформації: 1. Фридберг A.M., Винник Л.В. Колесо с подвижным ободом. Патент RU 2135372 С1. МПК В60В 17/00, опубл. 27.08.1999, бюл. № 24. 2. Мельниченко О.В., Чупраков Е.В., Горбаток С.А… Способ снижения износа системы колесо-рельс и конструкция для его осуществления. Патент RU 2449910 С2. МПК B61F 3/00; B61F 5/50; D61F 5/38, опубл. 10.05.12, бюл. № 13. 3. Касылкасов Ж.М. Колесо рельсового транспортного средства. Патент SU 1685755 А1. МПК В60В 9/00, опубл. 23.10.1991, бюл. № 39. 4. Бодров В.В. Залізничне колесо В.В. Бодрова. Патент UA 88998 U. МПК В60В 17/00; B61F 13/00; В61Н 5/00, опубл. 10.04.2014, бюл. № 7. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 1. Залізничне колесо, яке містить маточину і обід з поверхнею кочення і гребенем, з'єднаний з маточиною з можливістю незалежного обертання, пружно-еластичне кільце, яке встановлене між ними без зазорів, втулку з металу з низьким коефіцієнтом сухого тертя ковзання по сталі між суміжними поверхнями кільця й обода та порошок високотеплопровідного м'якого антифрикційного матеріалу на поверхні ковзання, яке відрізняється тим, що різниця радіусів зовнішньої та внутрішньої циліндричних поверхонь пружно-еластичного кільця знаходиться в межах 0,003-0,01 діаметра поверхні катання колеса при твердості матеріалу по Шору 60-80А, обід колеса виконаний з кільцевим пазом з боку гребеня і з радіальним упором з протилежного боку на внутрішньому радіусі, наприклад, із стандартного бандажа, що виробляється серійно, для рухомого складу залізних доріг широкої колії, маточина виконана відповідно зі стандартом на центри колісні катані або литі для залізничного рухомого складу, обід колеса, пружноеластичне кільце та колісний центр з'єднані в складальну одиницю стопорним кільцем, при цьому радіальний переріз складальної одиниці вписується в радіальний переріз стандартного суцільнокатаного колеса рухомого складу залізних доріг широкої колії. 2. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що висота радіального упору щонайменше удвічі більше товщини пружно-еластичного кільця. 3. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що в розріз стопорного кільця зібраного колеса вставлена і скріплена з ним поверхневим зварюванням стопорна пластина. 4 UA 105582 U 5 UA 105582 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 6