КОЛЕСНАЯ ПАРА ДЛЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Российский патент 1999 года по МПК B60B37/12 

Изобретение относится к рельсовому транспорту, в частности к ходовой части железнодорожного подвижного состава.

Известна колесная пара, выбранная в качестве аналога, содержащая два колеса с внутренними ребордами на одной цельной сплошной или полой оси с двумя наружными буксами, передающими с помощью подшипников нагрузку на ось (Вагоны. Под редакцией Л.А.Шадура. М.: Транспорт, 1980, стр. 94, рис. V.3).

Известна колесная пара, выбранная за прототип, содержащая два колеса с внутренними ребордами на одной цельной оси с двумя внутренними или наружными буксами, передающими посредством опорных подшипников нагрузку на ось (Международный стандарт ИСО 1005/7. Подвижной состав железных дорог, часть 7. Колесные пары для подвижного состава. Требования к качеству; Черт. 2, стр. 17).

Однако приведенные выше известные колесные пары (аналог, прототип) выполнены по традиционной схеме, предусматривающей на одной цельной оси либо две только наружные буксы, либо две только внутренние, и имеют следующие недостатки, которые снижают ресурс, ремонтопригодность, повышают затраты на техническое обслуживание и ремонт, снижают ходовые качества, безопасность движения и экологическую безопасность в условиях увеличения скорости движения, веса поездов и нагрузок на ось колесной пары:
- повышенные напряжения от изгиба в опасных сечениях оси из-за несимметричного ее нагружения относительно средней линии катания колеса, что в условиях циклических изгибных деформаций во время движения является причиной наблюдаемых усталостных разрушений (статистика отцепов вагонов показывает, что по причине появления поперечных трещин в подступичной и средней частях оси отбраковываются не менее 40% осей; см. Серенсен С.В., Шнейдерович О.М.; Громан М.Б. Валы и оси. М., Госмаштехиздат, 1959);
- повышенная вертикальная несимметричная нагрузка на буксовый узел, опорные подшипники, что приводит при пластичных смазках к условиям полусухого трения, нагреву буксового узла, интенсивному износу, усталостному разрушению сепараторов, колец и роликов в подшипниках качения, антифрикционного слоя в подшипниках скольжения (статистика показывает, что доля отцепов вагонов по причине нагрева букс из-за неисправностей подшипника составляет до 70%: см. Тр. ВНИИЖТа, 1982, вып. 654);
- невозможность поддержания в вертикальной плоскости круга катания колеса, что снижает ходовые качества, вызывает дополнительное боковое соударение гребня колеса о головку рельса и приводит к действию динамических поперечных сил по буксовому подшипнику посредством отраженной ударной волны, к расстройству рельсошпальной решетки, поперечному трению колеса о рельс, вызывающему, как известно, наибольший износ на поверхностях контакта;
- отсутствие и невозможность реализации при существующей конструкции колесной пары (прототип) замкнутой системы принудительной смазки с охлаждением буксовых подшипников, не требующей добавления смазки в течение длительного времени эксплуатации, и надежной уплотнительной системы (статистика свидетельствует, что доля выкатки колесных пар с буксами в холодном состоянии из-за обводнения смазки, ее разжижения, выброса через лабиринтное уплотнение и по этой причине чрезмерного износа центрирующих поверхностей и перемычек сепаратора подшипника качения составляет в зависимости от класса вагонов от 35 до 65%; см. Тр ВНИИЖТа, 1978, вып. 583).

Задачей изобретения является увеличение ресурса колесной пары, повышение ремонтопригодности, сокращение затрат на техническое обслуживание и ремонт, повышение ходовых качеств, повышение безопасности движения и экологической безопасности в условиях увеличения скорости движения, веса поездов и нагрузок на ось колесной пары.

Для решения этой задачи колесная пара, содержащая два колеса с внутренними ребордами на одной цельной полой оси с двумя наружными буксами, снабжена одновременно двумя внутренними буксами, каждая из которых с соответствующей наружной буксой размещаются на оси симметрично относительно средней линии катания колеса, отношение диаметра отверстия полой оси к ее наружному диаметру в пределах от 0.4 до 0.8, сопряжение колеса с осью имеет коническую форму, при этом малые диаметры конуса обращены к торцам оси, внутренние полости оси и букс заполняются экологически безопасной смазывающе-охлаждающей жидкостью и соединены радиальными каналами, выполненными в оси, на оси размещен гидронасос, буксы снабжены уплотнительными устройствами применительно к жидкой смазке.

Наличие новых элементов и связей позволяет, сохраняя как существующие нагрузки на ось колесной пары, так и тенденцию на их увеличение, повысить ресурс, ремонтопригодность, сократить затраты на техническое обслуживание и ремонт, повысить ходовые качества, повысить безопасность движения и экономическую безопасность за счет симметричного относительно средней линии катания колеса распределения нагрузки на ось и подшипники, поддержания круга катания колеса в вертикальной плоскости и уменьшения при этом вдвое: а) вертикальных эквивалентных нагрузок на опорные подшипники, б) изгибающего момента в околоступичных сечениях оси от вертикальной статической нагрузки, полного разгружения средней части оси от изгиба с увеличением при этом усталостной прочности и долговечности буксовых узлов более чем в два раза, изгибных деформаций оси более чем в три раза, обеспечения замкнутой системой смазки подшипников.

Указанная новая совокупность существенных признаков необходима и достаточна для решения указанной задачи, что доказывает соответствие критерию охраноспособности "новизна".

Сравнение предлагаемого изобретения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не выявило в них признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже изображена симметричная часть предлагаемой колесной пары.

Колесная пара включает в себя два колеса с внутренними ребордами 1 на одной цельной полой оси 2 с отношением внутреннего и наружного диаметров d1/d2 в пределах от 0.4 до 0.8, коническую форму сопряжения 3 оси 2 и колес 1, среднюю линию катания колеса T с диаметром круга катания L, две наружные 4 и две внутренние 5 буксы, радиальные каналы 6 в оси, соединяющие внутреннюю полость 7 оси 2 и полости 8 букс 4, 5, которые заполнены жидкой смазкой типа, например, жидкости "Тормоб" канадской фирмы "Тордон", уплотнительные устройства 9 торцового типа аналогично уплотнению фирмы "Седерваль и сыновья", Швеция (см. "Технология судостроения", 1991, N 7), гидронасос 10, размещенные, например, внутри полости оси.

Колесная пара работает следующим образом. При симметричном расположении внутренних и наружных подшипниковых букс 4,5 относительно средней линии катания T колеса 1 изгибу подвергаются только околоступичные участки Z оси, средняя же часть оси длиной A полностью разгружается от статического изгиба. При этом более чем в три раза уменьшаются прогибы и углы поворота сечений оси, значительно сокращается различие между угловыми перемещениями характерных околоступичных сечений оси: сечений, совпадающих с плоскостями рядом стоящих опорных подшипников качения букс 4,5, с наружными и внутренними плоскостями уплотнительных устройств 9 букс 4,5; как следствие - это уменьшает влияние опасных для подшипников и уплотнительных устройств осевых амплитудных сил, вызываемых стеснением изгибных деформаций, что в условиях вращения изогнутой оси приводит к ударам, трению и износу соприкасающихся деталей. Далее, если напряжение в расчетных сечениях оси от вертикальной статической силы, действующей на один подшипник, уменьшается вдвое, то усталостная прочность в соответствии с известными опытными данными и с формулами вероятностного метода оценки прочности оси (см. "Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МРС колеи 1520 мм (несамоходных)") возрастает более чем в два раза. Такое значительное возрастание усталостной прочности оси 2 в опасных сечениях и разгружение ее средней части за счет перераспределения нагрузки является обоснованием возможности безопасного ослабления поперечного сечения оси путем введения внутренней симметричной емкости в оси без увеличения стандартного наружного диаметра заменой сплошного сечения на кольцевое. При этом уменьшается масса оси (в среднем на 100 кг) со всеми известными полезными следствиями, а выделенная за счет появившегося резерва прочности оси внутренняя полость 7 задействована в предлагаемой замкнутой системе смазки буксовых узлов 4,5 как резервуар, выполняющий одновременно функции хранения и охлаждения смазки, омывающей буксовые подшипники во время движения.

Диапазон 0,4 - 0,8 отношения диаметров полой оси d1/d2 выбран: а) условиями оптимальности между требованием обеспечения прочности, с одной стороны, и увеличением объема используемой для системы смазки внутренней полости (с одновременным уменьшением массы оси) - с другой; б) технологией изготовления осей с переменным отношением d1/d2 по длине оси; в) опытом применения полых осей, описанном, например, в книге "Вагоны", под ред. Л.А. Шадур, М. : "Транспорт", 1980, стр. 94, 95, г) поведением функций f=1-(d1/d2)², w= 1-(d1/d2)⁴, характеризующих соответственно площадь поперечного сечения трубчатой оси и момент сопротивления.

Уменьшение вдвое радиальных эквивалентных сил, действующих на один подшипник, вызывает значительное повышение долговечности подшипников в млн. км пробега в соответствии с формулой оценки долговечности буксовых подшипников (см. "Нормы для расчета...", упомянутые выше). Таким образом, буксовые узлы получаются малообслуживаемыми и с повышенным ресурсом, что приводит к снижению эксплуатационных затрат.

При симметричном распределении нагрузки на буксовые узлы 4,5 плоскость круга катания диаметра L колеса 1 автоматически устанавливается в вертикальное положение, что повышает ходовые качества транспортного средства и исключает дополнительные боковые силы на рельсошпальную решетку, уменьшает влияние поперечного трения колеса о рельс, износ их поверхностей.

Экологическая безопасность обеспечивается и в случае аварийной ситуации (взрыва, разрушение корпуса буксы и т.п.), т.к. вытекающая смазка не загрязняет окружающую среду, поскольку является экологически чистой, растворимой в воде.

Ремонтопригодность колесной пары возрастает, а затраты на ремонт уменьшаются благодаря конической форме посадочной поверхности колеса 1 и оси 2, т.к. инжекция жидкости на такую сопрягаемую поверхность обеспечивает удобную разборку колес.

Гидравлический насос 10, размещенный на оси асимметрично по отношению к колесам 1, вызывает во время движения циркуляцию жидкой смазки в полости 7 оси 2, обеспечивая замкнутую систему смазывания буксовых узлов 4,5.

Изобретение, включающее такие системно связанные факторы, как коническое сопряжение обоих колес с осью, позволяющие осуществить симметричное относительно средней линии катания колеса распределение вертикальной нагрузки на ось и подшипники, поддержание круга катания колеса в вертикальной плоскости, значительное разгружение оси от изгиба, a подшипники от радиальных сил и сил осевых, возникающих из-за стеснения изгибных деформаций, а также создание замкнутой системы экологически безопасной смазки подшипников и малообслуживаемого буксового узла, приводит к таким системно связанным следствиям, как увеличение ресурса, повышение ремонтопригодности, сокращение затрат на техническое обслуживание и ремонт, улучшение ходовых качеств, повышение безопасности движения, которые в совокупности создают сверхэффект в условиях увеличения скорости движения, веса поездов и нагрузок на ось колесной пары.

Колесная пара относится к рельсовому транспорту и может быть использована в ходовой части железнодорожного подвижного состава. Изобретение решает задачи увеличения ресурса колесной пары, повышения ремонтопригодности, сокращения затрат на техническое обслуживание и ремонт, повышения ходовых качеств, повышения безопасности движения и экологической безопасности в условиях увеличения скорости движения, веса поездов и нагрузок на ось колесной пары. Колесная пара включает в себя два колеса с внутренними ребордами на одной цельной полой оси с отношением диаметров в пределах от 0,4 до 0,8, коническую форму сопряжения, среднюю линию катания колеса Т с диаметром круга катания L, две наружные и внутренние буксы, радиальные каналы в оси, соединяющие внутренние полости оси и полости букс, которые заполняются жидкой смазкой, уплотнительные устройства, препятствующие вытеканию жидкой смазки из букс, гидронасос, размешенный на оси, предназначен для циркуляции смазочно-охлаждающей жидкости в полостях подшипниковых букс. 1 ил.

Колесная пара для подвижного состава железных дорог, содержащая два колеса с внутренним ребордами на одной полой цельной оси с двумя наружными по отношению к колесам буксами, передающими посредством опорных подшипников нагрузку на ось, отличающаяся тем, что она снабжена одновременно двумя внутренними по отношению к колесам буксами, каждая из которых с соответствующей наружной буксой размещена на оси симметрично относительно средней линии катания колеса, отношение диаметра отверстия оси к наружному диаметру в пределах от 0,4 до 0,8, сопряжение колеса с осью имеет коническую форму, при этом малые диаметры конуса обращены к торцам оси, внутренние полости оси и букс заполнены экологически безопасной смазывающе-охлаждающей жидкостью и соединены радиальными каналами, выполненными в оси, на оси размещены гидронасос, буксы снабжены уплотнительными устройствами применительно к жидкой смазке.