Колесо вагонетки

Реферат: Винахід належить до залізничних транспортних засобів, зокрема до шахтних вагонеток. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого колеса, в якому зміною конструктивних елементів і принципу дії досягається можливість додання ободу з ребордою самовстановлюваної та саморегульованої пружності із забезпеченням демпфірування динамічних навантажень одночасно у вертикальній і горизонтальній площинах в кожен даний момент часу, що дозволить вагонетковому колесу виконувати функції ресори та самовстановлення щодо рейки, за рахунок цього підвищити експлуатаційні характеристики колеса, включаючи збільшення терміну служби підшипників і поверхонь тертя, а також поліпшення ремонтопридатності за рахунок простоти конструкції. Для вирішення поставленої задачі в колесі вагонетки, що включає маточину, збірний обід з торцевим кільцем з поверхнею кочення обода та реборди, і пружні елементи, згідно з винаходом торцеве кільце обода виконано набірним з розмішеними пошарово пружними елементами з металевих і неметалевих еластичних матеріалів, при цьому його внутрішні пружні елементи виконані у вигляді кілець з прямокутною формою в перерізі, а торцевий - Uподібної форми - зі змінною в перерізі товщиною стінки від 5 до 30 мм, причому реборда виконана у вигляді потовщення на кінці останнього, а його середня частина виконана із заокругленням в межах 180°-270°. UA 113763 C2 (12) UA 113763 C2 UA 113763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до залізничних транспортним засобів, зокрема до шахтних вагонеток. Відомі конструкції вагонетки коліс, що включають корпус з парним конусоподібним профілем катання обода і реборди (ГОСТ Р 55727-2013 "Устаткування гірничо-шахтне. Вагонетки вантажні шахтні. Загальні технічні вимоги та методи випробувань". Москва. Стандартинформ, - 2014. - С. 33). Такі конструкції забезпечують сприйняття статичних та динамічних навантажень, які виникають при транспортуванні вантажів і виконують свої функції, однак швидко зношуються в процесі експлуатації. Відомі найбільш сучасні конструкції вагонетки коліс підвищеної міцності і довговічності (Ганкевич В.Ф., Коцупей А.Н. Проблеми зношування деталей гірничодобувного обладнання і вишукування методів підвищення зносостійкості колісних пар шахтних вагонеток // Науковий вісник НГУ. - 2008. - № 12. - С. 57-60). Відомі сучасні конструкції забезпечують підвищену довговічність і надійність вагонетки колеса, але є дорогими. Найбільш близьким до пропонованого рішення за технічною суттю і досягуваному результату, є ходове колесо крана, що включає маточину, збірний обід, що складається з кілець з'єднаних між собою кріпильними деталями так, що між кінцями бічних кілець розміщено торцеве кільце з поверхнями кочення колеса, при цьому обід і маточина з'єднані між собою сферичними поверхнями, пов'язані пружними елементами (патент України № 77062 В66С 9/00, 2006). Таке технічне рішення дозволяє колесу крана самовстановлюватися щодо рейки за рахунок пружного повороту в сферичному шарнірі обода щодо маточини і забезпечує поглинання бічних пікових ударних навантажень, але не демпфує вертикальні динамічні навантаження і для використання в конструкції вагонетки колеса придатне лише частково через принципові відмінності в умовах експлуатації і призначення кранових і вагонетки коліс. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого колеса, в якому, зміною конструктивних елементів і принципу дії досягається можливість додання обода з ребордою самовстановлювання і саморегулювання пружності із забезпеченням демпфірування динамічних навантажень одночасно у вертикальній і горизонтальній площинах в кожен даний момент часу, що дозволить вагонетковому колесу виконувати функції ресори та самоустановки щодо рейки, і за рахунок цього підвищити експлуатаційні характеристики колеса, включаючи продовження терміну служби підшипників і поверхонь тертя, а також поліпшення ремонтопридатності за рахунок простоти конструкції. Для вирішення поставленої задачі в колесі вагонетки, що включає маточину, збірний обід з торцевим кільцем з поверхнею кочення обода і реборди, пружні елементи, згідно з винаходом, торцеве кільце обода виконано набірним з розмішеними пошарово пружними елементами з металевих і неметалевих еластичних матеріалів, при цьому його внутрішні пружні елементи виконані у вигляді кілець плоскої, а торцевий - U-подібної форми зі змінною в перерізі товщиною стінки, причому кінець останнього містить потовщення у формі реборди, а вершина виконанакриволінійною з радіусами заокруглень від 5 до 30 мм та сектором цих заокруглень в межах 180°-270°. Таким чином, сукупність характеристик технічного рішення, що заявляються, забезпечує виконання поставленої задачі в повному обсязі. На фіг. 1 представлений варіант поперечного розрізу колеса вагонетки зі збірним ободом, що містить мінімальну кількість пружних шарів. На фіг. 2 представлений варіант поперечного розрізу колеса вагонетки зі збірним ободом, що містить максимальну кількість пружних шарів. На фіг. 3 схематично представлено колесо вагонетки з основними деталями. Колесо вагонетки складається з базового диска 1, в центрі якого розміщена маточина 2, а на торцевій частині виконана половина опори 3 збірного обода. Друга половина опори збірного обода виконана у вигляді знімного бокового кільця 4. Обидві половини з'єднані кріпильними деталями 5 в єдиний вузол - збірний обід 6, як показано на фіг. 3, всередині якого розміщений блок торцевого кільця 7, який набраний з пружних елементів 8, 9 і 10, вставлених один в одний в заданій послідовності. Ці пружні елементи виконані з металевих і неметалевих еластичних матеріалів у вигляді кілець плоскої і U-подібної форми в перерізі. Базовим пружним елементом служить металеве кільце U-подібної форми 8, товщина стінок якого змінна по довжині від одного кінця до другого в діапазоні від 5 до 30 мм з радіусами заокруглень R у вершині в розмірах діапазону цих товщин стінок. На зовнішньому кінці U-подібного пружного елемента 8 виконано потовщення у формі реборди 11, висота якої визначає максимальний розмір товщини стінки, а мінімальний розмір товщини має його внутрішній кінець. Поверхня, яка сполучена з 1 UA 113763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ребордою 11, має ухил і є поверхнею кочення збірного обода 6. Вершина U-подібного пружного елемента 8 виконана криволінійною радіусом R від 5 до 30 мм і сполучає його кінці закругленням з сектором кривизни в межах 180°-270°. При радіусі R меншим ніж 5 мм неможливо забезпечити потрібну пружність вершини та прогин кінців, а при більш ніж 30 мм габаритні розміри стають неприйнятними. При секторі кривизни менш ніж 180° кінці U-подібного пружного елемента стають непаралельними, а при більш ніж 270° зазор між кінцями стає замалим для встановлення кілець плоскої форми. Величина цього сектора в поєднанні з радіусом кривизни і товщиною стінки визначає силові властивості U-подібного пружного елемента 8, а його задані максимальні механічні характеристики досягають вибором марки сталі і режимом термообробки, наприклад сталь марки 65Г з загартуванням і відпусткою. На фіг. 1 показаний варіант з використанням U-подібного пружного елемента 8 з сектором кривизни в вершині рівному 270°. На фіг. 2 показаний варіант з використанням U-подібного пружного елемента 8 з сектором кривизни в вершині рівному 180°. Кільце U-подібного пружного елемента 8 виготовляють литтям в кокіль з наступною механічною обробкою для формування заданих розмірів профілю. Зовнішній діаметр U-подібного пружного елемента 8 відповідає зовнішньому діаметру стандартного вагонеткового колеса по поверхні кочення і становить 300, 350 і 400 мм залежно від вантажопідйомності вагонетки, відповідно і висота реборди (гребеня) 11 лежить в межах 1630 мм. Бічна поверхня реборди 11 сполучається з поверхнею кочення обода під стандартним кутом. Для формування пружно-силових параметрів блока торцевого кільця 7 U-подібний пружний елемент 8 поєднують з пружними елементами інших типів 9 і 10 з послідовністю їх розміщення поперемінно, як показано на фіг. 1, фіг. 2. і фіг. 3. Поєднуючи пружні елементи багатошаровим пакетом (блоком), отримують задані пружно-силові характеристики пакета кілець в широкому діапазоні під будь-які навантаження на колесо. Товщина плоских металевих пружних елементів 9 становить від 3 до 10 мм, а їх ширина лежить в діапазоні від ширини Б (фіг. 3), яка дорівнює відстані між внутрішніми стінками збірного обода 6, до половини цього розміру. Поєднуючи геометричні розміри кільця з механічними властивостями металу можна сформувати будь-які потрібні пружні характеристики кільця. Металеві кільця виконують функцію арматури в загальному пакеті пружних елементів, їх виготовляють, наприклад, з ресорної сталі 65Г. Товщина плоских неметалевих пружних елементів 10 становить від 5 до 20 мм при їх ширині від 20 до 80 мм. Неметалеві кільця виконують функцію амортизаторів в загальному пакеті пружних елементів, їх виготовляють, наприклад, з твердої гуми. Загальна ширина А збірного обода 6 колеса вагонетки відповідає стандартній і її вибирають в межах 80-130 мм. Ширина Б між внутрішніми стінками збірного обода 6 залежить від ширини головки рейки і більше її на 20-50 мм. Загальну висоту В набору товщин стінок шарів в блоці торцевого кільця 7 визначають розрахунком сил пружності і переміщень реборди 11 у вертикальній і горизонтальній площині під дією максимальних вертикальних та горизонтальних навантажень, наприклад, 5000 кг і 1000 кг відповідно. При таких навантаженнях розрахункову величину переміщення у вертикальній площині вибирають в межах 8-10 мм, а в горизонтальній площині в межах 3-5 мм. Граничні переміщення більше 10 мм малоймовірні, що обумовлено неможливістю великих переміщень реборди 11 під дією ударного імпульсу критичного навантаження тривалістю в десяті частки секунди через інерційність мас. Щоб уникнути поломок пружних кілець на торці частини обода 3 виконані опорні поверхні 12 і 13, упор в які запобігає переміщенню реборди 11 при пікових навантаженнях понад допустимі. Загальна висота набору товщин стінок шарів лежить в діапазоні від 40 до 70 мм і не перевищує розмір Б між внутрішніми стінками збірного обода 6. Кількість шарів в наборі блока торцевого кільця 7 менше чотирьох, як показано на фіг. 1, не дозволяє досягти необхідних пружно-силових характеристик колеса при високих навантаженнях, а кількість шарів більше ніж вісім, як показано на фіг. 2, є надлишковим, оскільки останні шари починають працювати тільки при ударних навантаженнях близьким до критичних. Товщину першого шару з поверхнею кочення і прилеглого шару вибирають такими, щоб при вазі порожньої вагонетки вони просідали тільки на 1-2 мм, при вазі навантаженої вагонетки на 4-6 мм, а при максимальному піковому ударному навантаженні на 7-8 мм. Вихідну величину набору шарів вибирають залежно від конкретних умов кожного рудника або шахти відповідно до вантажопідйомності вагонеток і типу рейок. 2 UA 113763 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 U-подібний пружний елемент 8 збирають у горизонтальному положенні, вкладаючи в його внутрішню порожнину плоскі металеві та неметалеві пружні елементи заданого діаметра і товщини в потрібній кількості і укладають цей пакет на опору 3 збірного обода 6 колеса, яка конструктивно виконана монолітною з маточиною 2. Далі, між опорною поверхнею 14 обода і Uподібним пружним елементом 8 щільно вкладають у заданій послідовності інші плоскі металеві та неметалеві пружні елементи 9 і 10 заданого діаметра і подібним пружним елементом 8 щільно вкладають у заданій послідовності інші плоскі металеві та неметалеві пружні елементи 9 і 10 заданого діаметра і товщини в потрібній кількості, формуючи блок торцевого кільця 7. На повний пакет пружних елементів накладають знімне бічне кільце 4 збірного обода 6, центрують штифтами і фіксують у заданому положенні кріпильними деталями 5. Таким шляхом отримують колесо вагонетки зі збірним шаруватим ободом із заданими характеристиками пружності і ступенем рухливості у вертикальній і горизонтальній площинах. Таким чином, сукупність характеристик заявляється технічного рішення забезпечує виконання поставленого завдання в повному обсязі. Колесо вагонетки працює таким чином. При установці на рейки від ваги Р вагонетки з'являється опорна реакція F розподілена по лінійним майданчикам, як показано на фіг. 1 і фіг. 2. Від дії цих сил блок торцевого кільця 7 стискається пропорційно навантаженню. U-подібний пружний елемент 8 в конструкції цього блоку є головним силовим елементом, що сприймає всі контактні навантаження при коченні колеса по рейковому шляху. При коченні колеса вагонетки величина сили F динамічно змінюється, внаслідок чого, кінець U-подібного пружного елемента 8 з ребордою 11 в кожен момент часу змінює своє положення, переміщаючись на кілька міліметрів у вертикальній площині вгору або вниз, а при переході через неспіввісність стику рейки виникає додатковий ударний імпульс сили, який поглинається додатковим стисненням всіх верств блока торцевого кільця 7 з подальшим розпружинюванням після зняття навантаження, аж до нуля, у разі короткочасного зависання колеса над рейкою. На поворотах, стрілочних переходах або при звуженні рейкового шляху менш стандартного розміру, при коченні колеса бокова поверхня реборди починає контактувати з бічною поверхнею головки рейки з виникненням додаткової бічної сили С. Під дією цієї сили вигнута частина вершини U-подібного пружного елемента 8 пружно деформується (пружинить) пропорційно величині навантаження зі зміною радіуса кривизни R по всьому сектору заокруглення з переміщенням реборди 11 в напрямку дії сили с в межах 1-4 мм. При виході на прямолінійну ділянку рейкового шляху навантаження на реборди 11 знімається, при цьому запасена пружна енергія вигину профілю вивільняється з поверненням його у вихідне положення. При виникненні ударних навантажень вище розрахункових, наприклад в разі перевантаження вагонетки та руху її на підвищеній швидкості, імпульси сил призводять до переміщення реборди 11 на величину вище розрахункової і, в цьому випадку, торцева частина U-подібного пружного елемента 8 впирається в опорні поверхні 12 і 13 на торці обода 3 і колесо короткочасно стає жорстким, що запобігає поломці. В результаті кочення колеса по рейці зношуються тільки поверхні кочення U-подібного пружного елемента 8, тому ремонту або заміні підлягають тільки вони, що різко знижує вартість ремонту вагонетки коліс пропонованої конструкції. Крім того, значно знижується час і трудомісткість ремонту коліс за рахунок принципової зміни технології ремонту та обслуговування коліс. Колесо пропонованої конструкції ремонтують не розбираючи підшипникові вузли і не знімаючи колесо з осі. Для ремонту колеса його піднімають домкратом над рейкою, розкручують кріпильні деталі 5, від'єднують знімне бічне кільце 4 і виймають блок торцевого кільця 7 повністю або частково при восьмишаровій структурі блока. У знятому блоці торцевого кільця 7 замінюють на новий U-подібний пружний елемент 8, збирають блок, встановлюють його на місце і фіксують боковим кільцем 4, затягуючи кріпильні деталі 5. Після опускання колеса на рейку вагонетка готова до подальшої експлуатації. Таким чином, вирішується завдання підвищення надійності, довговічності і ремонтопридатності колеса вагонетки, знижується рівень шумності при русі і забезпечується м'якість ходу, що недосяжно при використанні прототипу і коліс попереднього покоління. Крім того, підресорені колеса з демпфірованими ударними навантаженнями дозволяють різко знизити динамічні навантаження на рейковий шлях, особливо на стиках, стрілочних переходах і поворотах, що знижує його знос в рази. Пропонований винахід може бути також використаний і на залізничному транспорті широкої колії, наприклад трамваях або вагонах електричок, на мостових кранах, локомотивах та ін. 60 3 UA 113763 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Колесо вагонетки, що включає маточину, збірний обід з торцевим кільцем, що містить поверхню кочення та реборду, з'єднаний кріпильними деталями, та пружні елементи, яке відрізняється тим, що торцеве кільце обода виконано складальним з розміщених в ньому шарами кільцевих пружних неметалевих і металевого(их) елементів, що чергуються між собою, при цьому кільцеві пружні елементи в поперечному перерізі мають прямокутну та U-подібну форми, при цьому U-подібний пружний елемент виконаний з металу зі змінною товщиною в діапазоні від 5 до 30 мм, реборда виконана у вигляді потовщення на кінці кільцевого Uподібного пружного елемента, а середня частина U-подібного пружного елемента має заокруглення в межах 180°-270°. 2. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що товщина кільцевих металевих пружних елементів складає від 3 до 10 мм, а їх ширина лежить в діапазоні значень: від того, що дорівнює відстані між внутрішніми стінками збірного обода, до того, що дорівнює половині цієї відстані. 3. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що товщина кільцевих неметалевих пружних елементів складає від 5 до 20 мм при їх ширині від 20 до 80 мм. 4. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що ширина між внутрішніми стінками збірного обода на 20-50 мм більше від ширини головки рейки. 5. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що загальна висота набору товщин стінок шарів кільцевих пружних елементів лежить в діапазоні від 40 до 70 мм і не перевищує розмір між внутрішніми стінками збірного обода. 4 UA 113763 C2 5 UA 113763 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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