УПРУГАЯ ПОДВЕСКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО МОНОРАМНОГО ХОДОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1998 года по МПК B61F5/10 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в упругом подвешивании надрессорных масс на колесах экипажа.

Известна упругая подвеска железнодорожного монорамного ходового устройства, трехосной тележки (Вагоны. И.Ф.Пастухов и др. М. Транспорт, 1988, с. 82), содержащая раму, выполненную в виде шарнирно связанных между собой четырех боковых и двух балансирных балок, колесные пары, буксовые узлы и четыре комплекта упругих элементов, каждый из которых включает в себя четыре двухрядных пружины и пружинно-фрикционный гаситель колебании.

Недостатки известной упругой подвески - большая суммарная жесткость пружин, значительные неподрессоренные массы, неравномерное распределение нагрузок от масс экипажа по осям, низкая надежность элементов рамы, трудоемкость работ по смене элементов ходового устройства.

Известна упругая подвеска железнодорожного монорамного ходового устройства, трехосной тележки (В.К.Калинин. Электровозы и электропоезда. М., Транспорт, 1991, с. 41-50), содержащая раму, колесные пары, буксовые узлы и упругие элементы, представляющие собой две параллельно расположенные между буксами и рамой группы пружин и рессор, по три связанных между собой балансирами комплекта указанных упругих элементов в одной группе, в каждую из которых включены пружины и листовая рессора (или балансир).

Недостатками указанного устройства являются низкие эффективность и надежность - большая суммарная жесткость упругих элементов; неравномерное распределение нагрузок от масс экипажа по осям в условиях движения по рельсовому пути в силу инерционно-фракционного сопротивления перемещениям последовательно сочлененных между собой системой балансиров трех комплектов упругих элементов в каждой группе; большие нагрузки, действующие на экипаж и путь в поперечном направлении при следовании в кривой, обусловленные жестким сочленением букс с шейками осей колесных пар и с рамой ходового устройства.

Задача изобретения - повышение эффективности и надежности.

Техническим результатом, способным решать указанную задачу, являются снижение суммарной жесткости упругой подвески, равномерное распределение нагрузок от масс экипажа по осям ходового устройства, снижение боковых (поперечных) нагрузок на экипаж и путь.

Эта задача осуществляется за счет того, что упругая подвеска железнодорожного монорамного ходового устройства, содержащая буксы и упругие элементы, размещаемые между буксами и рамой ходового устройства, в отличие от прототипа снабжена регуляторами жесткости, каждый из которых включен параллельно упругим элементам и состоит из симметрично расположенных относительно средней вертикальной плоскости буксы и жестко закрепляемых на раме двух блоков соосных пневмоцилиндров с размещенными в них поршнями, взаимодействующими посредством последовательно сопряженных между собой штоков с установленными в направляющих ползунами, сочлененных с последними шатунов и шарнирно соединенной с ними изменяемой по длине вертикальной стойки, соединенной нижним концом с буксой, при этом пневмоцилиндры регуляторов жесткости для средних колесных пар посредством пневморедуктора, а для крайних колесных посредством регулируемого пневморедуктора сообщены с источником сжатого воздуха. Нерабочие полости пневмоцилиндров сообщены с атмосферой. В корпусах букс для средней колесной пары свободно установлены втулки-обоймы, а роликовые подшипники букс установлены во втулках-обоймах.

Сущность изобретения заключается в следующем. Размещение пневматических регуляторов жесткости параллельно упругим элементам в буксовой подвеске ходового устройства значительно уменьшит (на порядок) суммарную жесткость каждого комплекта (подвески одного колеса) упругих деталей крайних колесных пар, а суммарная жесткость буксовой подвески средних колесных пар снизится до нуля. Нагрузка от колес средних осей на рельсы в условиях статики и движений становится постоянной величиной - равной статической нагрузке.

Динамические нагрузки от надрессорных масс распределяются только по крайним колесным парам, т.е. по оценке динамических факторов ходовое устройство работает как двухосный экипаж с удлиненной базой. Минимально возможная суммарная жесткость, по условиям устойчивости движения, буксовой подвески крайних осей и нулевая суммарная жесткость подвески средних колесных пар позволяет значительно снизить динамические нагрузки от экипажа на путь, более равномерно распределить нагрузки от надрессорных масс по колесам ходового устройства. В результате значительно возрастет предельная скорость движения, повысится надежность работы единиц подвижного состава и пути, в сопоставимых условиях снизится удельный расход энергоресурсов на перемещение экипажей. Устройство корпуса букс средних колесных пар в виде "телескопической" конструкции обусловит более свободное перемещение указанных осей относительно рамы в поперечном направлении, что обеспечит значительное снижение боковых нагрузок на экипаж и путь. Исключение балансирных связей в системе рессорного подвешивания упростит технологию смены элементов ходового устройства. Таким образом предложенное устройство обеспечит повышение эффективности и надежности.

На фиг. 1 показана схема упругой подвески железнодорожного монорамного ходового устройства; на фиг. 2 - регулятор жесткости упругой подвески; на фиг. 3 - букса средних колесных пар.

Упругая подвеска железнодорожного монорамного ходового устройства содержит раму 1, колесные пары 2, буксы 3, упругие элементы - листовые рессоры 4 (или балансиры буксы), пружины 5 и включенные между рамой 1 и буксой 3, параллельно упругим элементам 4, 5, пневматические регуляторы жесткости. Два блока соосных пневмоцилиндров 6 регулятора жесткости, симметрично относительно средней вертикальной плоскости каждой буксы 3, жестко закреплены на раме 1. В каждом цилиндре 6 установлен поршень 7. Штоки 8 жестко соединены с поршнями 7 и последовательно сопряжены между собой в осевом направлении. Шток 8, ближний к плоскости симметрии, жестко связан с ползуном 9, свободно установленным в направляющих 10. закрепленных на раме 1. Шатун 11 одним своим концом сочленен с ползуном 9 и другим - с вертикальной стойкой 12, нижний конец которой связан с буксой 3. Для регулирования по длине стойка 12 снабжена муфтой 13. Дальний от плоскости симметрии цилиндр 6 закрыт крышкой 14.

Между штоками 8 и вертикальными стенками цилиндров 6 выполнены уплотнения 15. Рабочие полости цилиндров 6 средних колесных пар 2 воздухопроводом 16 через пневморедуктор (на чертеже не показан), а крайних колесных пар 2 - через регулируемый пневморедуктор (на чертеже не показан) сообщены с источником сжатого воздуха. Нерабочие полости цилиндров 6 каналами 17 сообщены с атмосферой. Букса 3 средних колесных пар 2 (фиг. 3) содержит внешний корпус 18, в котором свободно размещена втулка-обойма 19 с подшипниками 20, установленными на шейки 21 оси колесной пары 2.

Работа упругой подвески железнодорожного монорамного ходового устройства.

В статике от надрессорных масс на каждую рессору 4 (или буксовый балансир) и пружины 5 действует расчетная (статическая) сила P_c. Под номинальной (статической) нагрузкой P_c указанные упругие элементы прогибаются на величину статического прогиба h_c. Цилиндры 6 наполнены сжатым воздухом до расчетного (номинального) давления. Усилие от штока 8, дальнего от плоскости симметрии поршня 7, передается в осевом направлении на шток 8 следующего поршня 7. Затем суммарное усилие от указанных поршней передается на шток 8 ближнего к оси симметрии поршня 7. Суммарная расчетная сила всех поршней 7 блока цилиндров 6 от штоков 8 передается на ползун 9, далее на шатун 11 и сочлененную с ним вертикальную стойку 12.

В статике все шатуны 11 расположены по оси штоков 8 - перпендикулярно оси стойки 12. Горизонтальная и вертикальная равнодействующие на стойку 12 равны нулю. В статике букса 3 от вертикальной стойки 12 не испытывает никакого усилия. Нагрузка на буксу 3 от надрессорных масс передается только через упругие элементы 4, 5.

При движении экипажа по неровностям пути букса 3 с колесом 2 перемещаются вверх (вниз) относительно рамы 1. Рессора 4 и пружины 5 изменяют свой прогиб. В случае перемещения буксы 3 вверх от исходного (среднего) положения рессора 4 и пружина 5 увеличивают свой прогиб. Появляется динамическое (дополнительное) усилие P_Д, действующее от упругих элементов 4, 5 на раму 1 вверх (+ P_Д), а на буксу 3 с колесом 2 вниз (-P_Д).

Перемещение буксы 3 вверх обусловит смещение стойки 12 также вверх. Шатуны 11, сочлененные с вертикальной стойкой 12, поворачиваются относительно своего шарнира сочленения с ползуном 9 на некоторый угол α (острый угол между шатуном 11 и осью штоков 8). Появляются вертикальные составляющие сил P_α от регулятора жесткости, действующие на буксу 3 вверх ( + P_α ), а на раму 1 вниз ( - P_α ). Дополнительное (к статическому) суммарное усилие на раму 1 R₁= P_Д- P_α, а на буксу 3 R₃= P_α- P_Д.

При смещении буксы 3 с колесом 2 вниз от исходного положения рессора 4 и пружины 5 разгружаются. В результате от упругих элементов 4, 5 появляется динамическое усилие P_Д, направленное - на раму 1 вниз (-P_Д), а на буксу 3 вверх (+P_Д). Перемещение буксы 3 вниз вызывает перемещение стойки 12 тоже вниз. Шатуны 11 поворачиваются на некоторый острый угол ( - α ). Появляются составляющие сил P_α от регулятора жесткости, действующие на буксу 3 вниз ( - P_α ), на раму 1 вверх ( + P_α ). Динамическое суммарное усилие на раму 1 R₁= P_α- P_Д , а на буксу 3 R₃= P_Д- P_α.

Вариациями расчетной жесткостью упругих элементов 4,5, размерами деталей регулятора жесткости (число и диаметр цилиндров 6, длина шатунов 11) и давления сжатого воздуха в его цилиндрах 6 можно получить значение P_α в пределах от |P_α| = 0 до |P_α| = |P_Д|. Тогда в интервале рабочих перемещений колесной пары 2 относительно рамы 1 в зависимости от величины суммарная динамическая нагрузка на раму 1 и буксу 3 получится в пределах от
Для средних колесных пар необходимо иметь R_1,3, близкую к нулевому значению. В этом случае средние колесные пары в условиях статики и динамики работают в пределах постоянной нагрузки от колесной пары 2 на рельсах, равной статической нагрузке при любом рабочем перемещении колесной пары 2 относительно рамы 1, независимо от нагрузки крайних колесных пар. Это достигается соответствующей жесткостью упругих элементов 4, 5, числом и диаметром цилиндров 6, длиной шатунов 11 и расчетным давлением воздуха в цилиндрах 6.

Упругие элементы 4, 5 и регуляторы жесткости упругой подвески крайних колесных пар в условиях движения должны обеспечить устойчивость положения надрессорных масс на колесах экипажа, особенно при следовании по кривым участкам пути, и оптимальную динамику ходового устройства. В этом случае при унификации деталей регулятора жесткости изменение значения P_α достигается варьированием давления сжатого воздуха в цилиндровых блоках крайних колесных пар посредством регулируемого пневморедуктора. При следовании экипажа на прямых участках пути давление повышается до максимально возможного (не выше расчетного) по условиям устойчивости, а в кривых понижается до необходимого по условиям устойчивости и динамических качеств ходового устройства. Чем меньше радиус кривой, тем большим должно быть снижение давления и наоборот.

Если надрессорная масса экипажа изменяется на "заметную" величину (более 10%) в сопоставлении с номинальным значением, то изменяется практически в такой степени и прогиб упругих элементов 4, 5. Для восстановления параллельной работы регулятора жесткости с упругими элементами 4, 5 в оптимальном режиме предусмотрен механизм изменения длины вертикальной стойки 12. Силы, действующие от шатунов 11 на стойку 12, можно уменьшить до нуля путем снижения давления воздуха в цилиндрах 6. Это позволяет в качестве указанного механизма использовать обычную резьбовую муфту 13. В этом случае для вращения муфты 13 потребуется минимальный момент сил.

Конструкция букс 3 средних колесных пар 2 позволит свободно перемещаться оси колесной пары 2 с подшипниками 20 и втулкой - обоймой 19 в поперечном направлении относительно внешнего корпуса 18 буксы 3. Постоянная вертикальная нагрузка и свободное поперечное смещение средних колесных пар 2 относительно рамы 1 обеспечивают плавное вписывание экипажа в кривую с минимальными поперечными усилиями на экипаж и путь.

Регулирование давления воздуха в цилиндрах 6 крайних колесных пар 2 представляется возможным выполнить как посредством ручного управления, так и в автоматическом режиме. От оси колесной пары выполняется привод к датчику, который обеспечит управление регулируемым пневморедуктором. Последний в пути следования позволит автоматически, в зависимости от скорости движения экипажа, плавно регулировать давление воздуха в цилиндрах 6 крайних колесных пар 2. Изменение давления воздуха в цилиндрах 6 обеспечит плавную вариацию суммарной жесткости упругой подвески в необходимых пределах.

На основе предлагаемого технического решения получаются оптимальные конструкции двухосной, трехосной и четырехосной тележек для четырех, шести и восьмиосного экипажей. Например, шестиосный пассажирский железнодорожный экипаж обладает высокими динамическими и энергетическими характеристиками при скоростях за пределами 200 км/ч на существующих магистралях.

Предлагаемая упругая подвеска обеспечит значительное (на порядок) снижение суммарной жесткости, стабильное равномерное распределение нагрузок по колесам ходового устройства, допускает регулирование жесткости в условиях движения экипажа.

Названные положительные качества заявляемого технического решения позволят повысить предельные скорости движения железнодорожных транспортных средств, надежность работы подвижного состава и пути, в сопоставимых условиях снизить удельный расход энергорессурсов на перемещение экипажей, улучшить комфортабельность пассажирского транспорта.

Таким образом, предложенное устройство позволит повысить надежность и эффективность работы железнодорожных транспортных средств.

Использование: в подвеске железнодорожного экипажа. Сущность изобретения: упругая подвеска содержит буксы и упругие элементы, размещаемые между буксами и рамой монорамного ходового устройства. Параллельно упругим элементам включены регуляторы жесткости, каждый из которых состоит из симметрично расположенных относительно средней вертикальной плоскости буксы и жестко закрепляемых на раме двух блоков соосных пневмоцилиндров с размещенными в них поршнями, взаимодействующими посредством последовательно сопряженных между собой штоков с установленными в направляющих ползунами. Пневмоцилиндры регуляторов жесткости для средних колесных пар посредством пневморедуктора, а для крайних колесных пар посредством регулируемого пневморедуктора сообщены с источником сжатого воздуха. Нагрузки от надрессорных масс равномерно распределяются по колесам ходового устройства, снижаются поперечные нагрузки на экипаж и путь. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Упругая подвеска железнодорожного монорамного ходового устройства, содержащая буксы и упругие элементы, размещенные между буксами и рамой ходового устройства, отличающаяся тем, что она снабжена регуляторами жесткости, каждый из которых включен параллельно упругим элементам и состоит из симметрично расположенных относительно средней вертикальной плоскости буксы и жестко закрепляемых на раме двух блоков соосных пневмоцилиндров с размещенными в них поршнями, взаимодействующими посредством последовательно сопряженных между собой штоков с установленными в направляющих ползунами, сочленных с последними шатунов и шарнирно соединенной с ними изменяемой по длине вертикальной стойки, соединенной нижним концом с буксой, при этом пневмоцилиндры регуляторов жесткости для средних колесных пар посредством пневморедуктора, а для крайних колесных пар посредством регулируемого пневморедуктора сообщены с источником сжатого воздуха. 2. Подвеска по п.1, отличающаяся тем, что нерабочие полости пневмоцилиндров сообщены с атмосферой. 3. Подвеска по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе букс для средних колесных пар свободно установлены втулки-обоймы, а роликовые подшипники букс установлены во втулках-обоймах.