ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1994 года по МПК B60B17/00 

Изобретение относится к транспорту и может быть использовано преимущественно в колесно-рельсовых транспортных устройствах.

Известна транспортная система, содержащая рельс и опирающееся на него колесо. Поверхности их контакта выполнены неупорядоченными со случайным чередованием микровыступов и микровпадин, разных по высоте, ориентации, шагам в разном направлении и форме, являющимися следствием традиционных способов обработки - прокатки, отливки, обточки, шлифовки и пр.

Эта система обладает рядом существенных недостатков: нестабильность и малая величина коэффициента трения скольжения и коэффициента сцепления, что является следствием нестабильности микровыступов, легко срезаемых при взаимодействии, случайной циркуляции по поверхности контакта частиц износа, загрязнений, смазки и пр.; нестабильность и большая величина коэффициента трения качения из-за указанных явлений и существенных перепадов высот микровыступов и глубин микровпадин и пр.; малый ресурс из-за больших перепадов погонных и удельных сил давления, случайных и быстрых локальных нарушений свойств поверхности, усталостного износа, искажения исходного микрорельефа и последующего микрорельефа; малая надежность вследствие высокой насыщенности контактирующих поверхностей концентраторами местных напряжений, большой вероятности развития из-за этого микродефектов, расслоения, микро- и макротрещин и пр.

Проблема повышения ресурса и надежности элементов транспортной системы - рельса и колеса - осложняется следующими противоречивыми обстоятельствами: в США расширяется применение усовершенствованных рельсосмазочных устройств, что позволяет на 10-15% снизить расход локомотивного топлива и увеличить срок службы рельсов и колес. Недавними исследованиями установлено, что если интенсивность износа несмазанных рельсов из углеродистой стали составляет 0,13-0,18 мм/млн т брутто, то при небольшой, средней и обильной смазке она соответственно уменьшается в 5, 17 и 80 раз. Интенсивность износа колесных гребней не смазанных рельсах снижается в 17-22 раза. Однако смазка рельсов и колес приводит к резкому уменьшению коэффициента их сцепления, что для транспортных систем недопустимо.

Известна транспортная система, содержащая транспортное средство с колесами, опирающимися на рельсы, причем поверхность их контакта выполнена с упорядоченным рельефом в виде чередующихся выступов и впадин прямолинейного и эвольвентного очертаний с высотой, равной от 1/4 до 1/3 толщины головки рельса (от 10 до 15 мм), т.е. рельс выполнен в виде зубчатой рейки, а колесо - в виде зубчатого колеса.

В этой система удается стабилизировать коэффициент трения качения, исключается проскальзывание колеса по рельсу, так как примененный упорядоченный рельеф обуславливает переход от сцепления к их зацеплению. Однако возникают дополнительные осложнения: резко повышается трудоемкость изготовления, уменьшается плавность хода, возникает чрезвычайно большой шум, ресурс и надежность ограничивают изломом и износом зубьев, ремонтировать которые сложно и дорого.

Целью изобретения является повышение и обеспечение заранее заданных и стабильных ресурса и надежности элементов транспортной системы.

Поставленная цель достигается тем, что у транспортной системы, содержащей транспортное средство с колесами, опирающимися на рельсы, контактирующие между собой поверхности катания головки рельса и колеса выполнены с равномерно распределенными неровностями выпуклой формы высотой, равной от 1/600 до 1 /300 высоты головки рельса, при этом указанные поверхности рельса и колеса на площади 28-32% выполнены с неровностями, направленными под углом 50-60^о относительно продольных плоскостей симметрии рельса и колеса. Указанные неровности выполнены в виде выступов шестиугольной формы в плане. Неровности в поперечном сечении выполнены синусоидальными. Неровности выполнены на внутренней поверхности реборды колеса.

На фиг.1 представлена конструктивная схема контактирующих колес и рельсов транспортной системы; на фиг.2 - колесо с ребордой (узел I на фиг.1); на фиг. 3 - колеса на рельсах в двух крайних относительных положениях; на фиг.4 - колесо на рельсе в расчетном положении; на фиг.5 - выполнение неровностей в виде упорядоченного микрорельефа частично регулярного с элементами выпуклой формы (поперечное сечение); на фиг.6 - то же, вид сверху; на фиг.7 - то же, непрерывные неровности не касаются друг друга и не пересекаются; на фиг.8 - то же, неровности касаются друг друга; на фиг.9 - то же, неровности частично пересекаются; на фиг.10 - поверхность контакта с неровностями шестиугольной формы в плане; на фиг.11 - то же, неровности выпуклой формы; на фиг.12 - то же, поперечное сечение при синусоидальной форме; на фиг.13 - выполнение неровностей в виде полностью регулярного микрорельефа выпукло-вогнутой синусоидальной формы (условное сечение в двух ортогональных плоскостях); на фиг.14 и 15 - конструктивная схема рельса (вид с торца и сверху) с изображением мест выполнения предложенных микронеровностей.

Предложенная транспортная система (фиг.1-4) содержит рельсы с подошвой 1, шейкой 2 и головкой 3. С последней контактирует колесо с основной частью 6, ребордой и поверхностями 8 и 9. Контактирующие между собой поверхности 4 и 5 катания головки 3 рельса и колеса выполнены с равномерно распределенными неровностями 10 выпуклой формы. Совокупность таких неровностей представляет собой так называемый упорядоченный микрорельеф. Эти неровности выполнены высотой В, равной от 1/600 до 1/300 высоты головки рельса, что для отечественных наиболее распространенных рельсов составляет величину примерно от 0,06 до 0,1 мм. Указанные поверхности рельса и колеса с упорядоченным микрорельефом на площади 28-32% выполнены с описываемыми неровностями, направленными под углом 50-60^о относительно продольных плоскостей симметрии рельса и колеса (фиг.3). Указанный упорядоченный микрорельеф выполнен частично регулярным с участками 11 (фиг.5-11) неупорядоченного исходного микрорельефа и непрерывными неровностями. При этом непрерывные регулярные микронеровности, в частности, разделяются сплошными участками неупорядоченного микрорельфа (фиг.6 и 7) соприкасаются в различной степени пересекаются.

Указанные неровности, в частности, выполнены в виде выступов шестиугольной формы в плане (фиг.10).

Эти неровности, в частности, в поперечном сечении выполнены синусоидальными.

Указанные неровности, в частности, выполнены на внутренней поверхности реборды колеса (фиг.2-4).

Предложенный упорядоченный микрорельеф, в частности, выполнен без участков исходного неупорядоченного микрорельефа полностью регулярным. Число шестиугольных в плане неровностей составляет, в частности 4-6 на 1 мм², величина углов β и γ шестиугольников - 50-15 и 50-60^о соответственно, относительная опорная площадь Т_50% - 25-35%.

Предлагаемая транспортная система с упорядоченным микрорельефом и с предложенными количественными характеристиками может быть изготовлена на базе серийно выпускаемого отечественного промышленного оборудования путем прокатки рельсов, в частности, перед их закалкой через валки прокатного стана (валки выполнены с зеркально отображенным на их рабочей поверхности рисунком предложенного упорядоченного микрорельефа). Что касается поверхности контакта колеса, то предложенный упорядоченный микрорельеф выполняется на ней так же, как и на рабочих поверхностях рельсовых прокатных валков, одним из известных способов, например вибронакаткой.

Транспортная система работает следующим образом.

При перекатывании колес по рельсам в случае выполнения контактирующих между собой поверхностей с предложенными неровностями - упорядоченным микрорельефом - смазочные и им подобные вещества, случайно попавшие или специально нанесенные на поверхность контакта, выполняя своих функции, размещаются во впадинах, не снижая коэффициента сцепления. Имеет место оптимальное для пары колесо - рельс граничное трение, но с высоким коэффициентом сцепления. Стабильность сцепления повышается вследствие благоприятной формы упорядоченных микронеровностей выпуклой формы, округлых, не слишком тонких, не высоких, но и не низких. Частицы и посторонние включения размещаются во впадинах и влияют на трение и сцепление существенно меньше, чем при обычном выполнении колес и рельсов. Упорядоченные, регулярные, одинаковые округлые микровыступы при их выполнении упрочняются и поэтому меньше деформируются и срезаются - все это стабилизирует и уменьшает коэффициент трения качения. Указанное упрочнение регулярных микровыступов уменьшает износ. Микровыступы работают с возникновением благоприятных нормальных сжимающих, а не касательных сдвигающих напряжений. Разбивка поверхностей 4, 5, 8 и 9 контакта регулярной системой выступов и впадин локализует образование дефектов, отдаляет начало микроразрушений, не дает им активно распространяться по поверхности, отделяет процесс отслоения, снижает усталостный износ. Предложенные количественные характеристики упорядоченного микрорельефа по высоте неровностей 10 соответствуют директивным требованиям к шероховатости поверхности рельса и колеса и обеспечивают наименьший износ. Износостойкость контактирующих элементов зависит также от относительной площади, занимаемой регулярно расположенными микронеровностями, и от их направления - при предложенных площадях и направлении эта износостойкость максимальна.

Выполнение неровностей в виде выступов шестиугольной формы в плане, стабильность поверхности контакта, ресурс и надежность достигают своего наибольшего значения.

При выполнении неровности синусоидальной в поперечном сечении свойства контакта становятся оптимальными, процесс образования неровностей реализуется с помощью высокопроизводительной и технологичной вибронакатки.

При выполнении упорядоченных микронеровностей на внутренней поверхности реборды колеса существенно повышается износостойкость последнего и снижаются большие затраты на переточку при ремонте.

Использование: в колесно-рельсовых транспортных устройствах. Сущность изобретения: транспортная система содержит транспортное средство с колесами 6, опирающимися на рельсы 1, причем контактирующие между собой поверхности катания головки 3 рельса 1 и колеса 6 выполнены с равномерно распределенными неровностями выпуклой формы высотой, равной от 1/600 до 1/300 высоты головки 3 рельса 1, а на площади 28-32% указанные поверхности выполнены с неровностями, направленными под углом 50-60° относительно продольных плоскостей симметрии рельса и колеса. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА, содержащая транспортное средство с колесами, опирающимися на рельсы, отличающаяся тем, что контактирующие между собой поверхности катания головки рельса и колеса выполнены с равномерно распределенными неровностями выпуклой формы высотой, равной от 1/600 до 1/300 высоты головки рельса, при этом указанные поверхности рельса и колеса на площади 28 - 32% выполнены с неровностями, направленными под углом 50 - 60^o относительно продольных плоскостей симметрии рельса и колеса. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанные неровности выполнены в виде выступов шестиугольной формы в плане. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что неровности в поперечном сечении выполнены синусоидальными. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что неровности выполнены на внутренней поверхности реборды колеса.