КРЕСТОВИНА Российский патент 1998 года по МПК E01B7/10 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а более конкретно к соединениям и пересечениям железнодорожных путей.

Из уровня техники в данной области известна крестовина, содержащая сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противоположных усовиков, а в месте их слияния перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков [1].

К недостаткам известной крестовины можно отнести то, что она предназначена для пропуска колес только с одинаковой шириной бандажа, что существенно ограничивает область ее применения.

Технический результата, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении области применения крестовины путем обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей.

Указанный технический результат достигается тем, что в крестовине, содержащей сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков, для обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей, в месте колеса на сердечник (сечение А-А) ширина желоба определяется из математического выражения.

C = t + (B_max-B_min) + δ_н + δ_в , (1)
где C - ширина желоба, мм;
B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
δ_н - минимально допустимый зазор между боковым наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба, в мм;
δ_в - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, в мм;
а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения:

где
K - ширина рабочей части усовика, мм;
H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса, Н/мм;
E - модуль продольной упругости стали, МПа;
[σ] - допускаемое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной, МПа;
d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса ("практического центра") на острие сердечника, мм.

На фиг. 1 показана крестовина, план; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1 в "практическом центре" крестовины; на фиг. 3 - сечение B-B на фиг. 1 в начале горловины крестовины.

Крестовина содержит конусный в плане сердечник 1, два усовика 2, выполненных с отбойными ребордами 3 на их наружных сторонах, и два равных желоба 4, образованных в месте 5 расположения сердечника 1 ("практическом центре") его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков 2, а в месте их слияния перед сердечником - горловине 6 - боковыми стенками противолежащих усовиков 2.

На фиг. 2 показаны профили двух колес: с минимальной B_min и максимальной B_max шириной бандажа. Оба колеса прижаты к отбойной реборде 3. Наружные боковые плоскости 7 совпадают и поэтому показаны одной линией. С противоположной стороны боковая плоскость 8 колеса с минимальной B_min шириной бандажа показана сплошной линией, а с максимальной B_max шириной бандажа боковая плоскость 9 - пунктирной линией. На фиг.2 видно, что наличие отбойной реборды 3 создает опасность заклинивания колеса с максимальной шириной B_max бандажа между боковой рабочей стенкой 10 усовика 2 и рабочей стенкой 11 реборды 3. Чтобы избежать этого, расстояние между рабочими стенками 10 и 11 должно превышать размер самой широкой реборды колеса с максимальной шириной бандажа B_max на величину конструктивного зазора δ_н :
l_y = B_max + δ_н. (3)
С другой стороны, само назначение отбойной реборды 3 заключается в том, чтобы даже при проходе колеса с минимальной шириной бандажа B_min предотвратить возможность удара реборды колеса в боковую стенку сердечника 1. Для этого расстояние l_c между рабочими стенками сердечника 1 и реборды 3 должно обеспечить некоторый зазор δ_в между ребордой колеса и сердечником, т.е.:
l_c = B_min- t - δ_в , (4)
где t - толщина реборды колеса.

Согласно указанным условиям минимальная ширина C желоба в рассмотренном сечении А-А должна быть равна:
C = l_y - l_c, (5)
а максимальная ширина рабочей части усовика K_max, т.е. максимально допустимое расстояние от боковой рабочей стенки усовика 2 до рабочей боковой стенки 11 отбойной реборды должно быть равно:
K_max = l_c - d - C, (6)
где d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника ("практического центра").

Подставив (3) и (4) в (5), приходим к математическому выражению (1). После подставки (4) в (6) получаем:

Минимальное значение ширины рабочей части усовика 2 определяется из условия прочности материала колеса в месте их контакта:
[σ] ≥ σ_max (8)
где [σ] - допускаемое контактное напряжение;
σ_max - максимальное контактное напряжение по линии контакта колеса с крестовиной:

(см. Н.М.Беляев. Сопротивление материалов. Гостехиздат, 1951 г, гл. IX, 46, c. 155).

где P - вертикальная нагрузка от колеса на крестовину;
D - диаметр колеса по поверхности катания;
E - модуль продольной упругости стали;
L - длина линии контакта колеса с крестовиной.

Максимальные контактные напряжения возникают тогда, когда длина линии контакта минимальна. Это соответствует положению колеса перед входом в желоб крестовины, когда еще не опирается на сердечник, а вся нагрузка передается только на усовик, как это показано на фиг.3.

Причем, если колесо имеет минимальную ширину бандажа B_min и идет по крестовине, прижавшись ребордой к рабочей стенке 10 усовика 2, то линия контакта l короче расстояния K между стенками усовика 2 и отбойной реборды 3:
l = K - (B_max - B_min) + δ_н , (11)
Подставив в (11) в условие прочности (10), получаем:

После решения неравенства (12) относительно K получаем:

где H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса.

Объединив (7) и (13) в общее неравенство, получаем выражение (2). Чтобы обеспечить нормальную работу крестовины при ее эксплуатации, конструктивные зазоры δ_н и δ_в должны назначаться с учетом размеров забега реборд колес, допусков на изготовление и обработку колес и крестовин, а также норм их износа.

Крестовина работает следующим образом.

Как показано на фиг.1 колесо катится по одному из направлений крестовины в сторону, указанную стрелкой. Оно проходит сечение B-B горла крестовины, т. к. в этом сечении ширина горла принята с учетом требований выражения (1), и попадает в пределы "вредного пространства", где его достижение направляется боковыми стенками, с одной стороны усовика 2, а с другой - отбойной реборды 3. В сечении A-A (практического центра) оно вступает во взаимодействие с сердечником 1. Здесь также выполняются требования соотношения (2), обеспечивающие минимально необходимую ширину K рабочей части усовика, т.е. площади контакта колеса с усовиком, и величину зазоров δ_н и δ_в с одной стороны, предотвращающих удары реборды колеса в боковую стенку сердечника, с другой, исключающих заклинивание колеса между усовиком 2 и отбойной ребордой 3 в сечении A-A, где K является минимальной.

Таким образом, обеспечивается попадание колеса в противолежащий желоб и гарантируется для заданного диапазона ширины бандажа проход колеса по крестовине без бокового смятия сердечника в самом тонком его сечении A-A. Из выражений (1) и (2) видно, что чем больше диапазон (B_max-B_min), тем шире должны быть желобы, тем меньше ширина рабочей части K усовика контакта колеса с усовиком. Как показали расчеты, существует область соотношений параметров колес и крестовин, в пределах которой крестовины работают также надежно как и их аналоги, предназначенные для пропуска колес только одного размера бандажей. Она охватывает почти весь парк отечественного подвижного состава промышленных железных дорог, что позволяет применить крестовины, не требующие ограждения контррельсами.

Изобретение к железнодорожному транспорту, конкретно к соединениям и пересечениям железнодорожных путей. Содержит сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков. При этом ширина желоба определяется из математического выражения: C = t+(B_max-B_min)+δ_н+δ_в, где : C - ширина желоба; t - толщина реборды колеса; B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава; B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава; δ_н - минимально допустимый зазор между боковыми наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба; δ_в - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения: где K - ширина рабочей части усовика; H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса; E - модуль продольной упругости стали; [σ] - допустимое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной; d - ширина конусного в вплане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника. Направлено на обеспечение пропуска по крестовине колес с разными размерами бандажей. 3 ил.

Крестовина, содержащая сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков, отличающаяся тем, что для обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей, в месте наката колеса на сердечник ширина желоба определяется из математического выражения
C = t + (B_max-B_min) + δ_н + δ_в ,
где С - ширина желоба, мм;
t - толщина реборды колеса, м;
B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
δ_н - - минимально допустимый зазор между боковым наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба, мм;
δ_в - - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, мм,
а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения

где K - ширина рабочей части усовика, мм;
H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса, H/мм;
E - модуль продольной упругости стали, МПа;
[σ] - - допускаемое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной, МПа;
d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника, мм.