КОЛЕСНАЯ ПАРА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2000 года по МПК B60B37/12 

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности к колесным парам рельсовых транспортных средств: локомотивов, вагонов, трамваев, путевых машин.

Известна колесная пара широко распространенной конструкции на подвижном составе железных дорог, в которой на концах общей оси жестко насажены две ступицы с напрессованными на них бандажами, имеющими поверхности катания со специальным профилем, предназначенным для взаимодействия с рельсовым путем. Величина натягов в посадках колесной пары такова, что исключается проскальзывание ступицы относительно оси и бандажа относительно ступицы при реализации сил тяги транспортного средства [1].

Недостатком известной колесной пары является то, что она имеет интенсивный износ в зонах взаимодействия колес с рельсами, особенно в криволинейных участках пути, ввиду разности длин и характера путей, проходимых колесами одной колесной пары, по внутреннему и наружному рельсам. Следствием такого активного взаимодействия гребней и поверхностей катания бандажей колес с рельсами является увеличение момента сопротивления движению, что повышает затраты энергии транспортного средства при тяге и движении. Отсюда частые переточки профилей бандажей и, следовательно, повышенный расход металла. Одновременно происходит и износ рельсов.

Известна также колесная пара с независимым и совместным вращением поверхностей катания колес, взятая за прототип, содержащая ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью и охвачены бандажами, а бандаж, по меньшей мере у одного колеса, установлен на ступице с возможностью вращения (перемещения) относительно нее. Внутренняя поверхность бандажа и контактирующая с ней поверхность ступицы выполнены в виде поверхностей вращения, а параметры этого соединения выбираются из условия, чтобы крутящий момент, определяемый силами трения в соединении в начале движения транспортного средства, был больше крутящего момента, который должен быть приложен к колесной паре для трогания транспортного средства с места [2]. Требуемый уровень передаваемого крутящего момента М_тр достигается за счет высокого коэффициента трения (f_тр) в контакте, равного 0,1-0,3, который, как предполагается, может быть реализован при наличии зазора между бандажом и ступицей, то есть, когда зона их контакта ограничивается углом охвата 15-20^o.

Недостатки известной колесной пары:
- заложенный в ней высокий коэффициент трения будет способствовать развитию интенсивного процесса износа в зоне контакта бандажа со ступицей, что отрицательно скажется на их долговечности и сроке службы конструкции;
- наличие зазора между бандажом и ступицей будет способствовать накоплению в нем продуктов износа взаимодействующих поверхностей ступицы и бандажа, а также абразивных частиц извне - со стороны пути;
- наличие упомянутого зазора увеличивает взаимную подвижность элементов колеса и колесной пары и может приводить при перекладках (перераспределениях) зазоров к повышенным динамическим нагрузкам в соединениях бандажа со ступицей в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Техническим результатом изобретения является уменьшение сопротивления движению колесной пары транспортного средства в криволинейных участках пути, снижение износа поверхностей катания колес и рельсов, повышение износостойкости соединения бандажа со ступицей за счет возможности проскальзывания бандажа относительно ступицы хотя бы одного колеса колесной пары в криволинейных участках рельсового пути и при различных угловых скоростях колес, например, в результате боксования. При этом по сравнению с прототипом упрощается конструкция колесной пары, отпадает необходимость установки уплотнений, препятствующих попаданию абразивных частиц в зону трения ступица - бандаж, стабилизируется коэффициент трения в этой зоне в течение всего процесса работы колеса, повышается надежность работы колесной пары.

Указанный технический результат достигается тем, что в колесной паре транспортного средства, содержащей ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью и охвачены кольцами (бандажами), а кольцо (бандаж) по меньшей мере у одного колеса установлено на ступице с возможностью вращения относительно нее, соединение кольца (бандажа) со ступицей этого колеса выполнено по переходной посадке с гарантированным натягом, выбранным в зависимости от конструктивных параметров колеса и величины нагрузки, действующей на него, а также из условия превышения момента сил трения в указанном соединении величины момента сил сопротивления движению, но который менее момента сил сцепления с тем, чтобы имелась возможность проскальзывания между ступицей и кольцом (бандажом) при движении по криволинейным участкам пути и при различных угловых скоростях колес колесной пары, поверхность соприкосновения ступицы с кольцом (бандажом) выполнена микрорельефной и на нее нанесен материал с триботехническими свойствами, обеспечивающими устойчивый (равновесный) коэффициент трения в диапазоне 0,10-0,01.

На чертеже изображено колесо колесной пары рельсового транспортного средства, в котором кольцо (бандаж) соединено со ступицей с легким гарантированным натягом.

Колесная пара содержит ось 1, с которой жестко связаны ступицы 2 колес, а их кольца (бандажи) 3 соединены со ступицами 2 таким образом, чтобы имелась возможность проскальзывания между ними при движении по криволинейным участкам пути и при различных угловых скоростях колес колесной пары. Поверхность соприкосновения 4 ступицы 2 с кольцом (бандажом) 3 выполнена микрорельефной. Она может быть выполнена в виде винтовых, спиральных, змеевидных и т.п. канавок, осповидных лунок, пористого покрытия и т.д. На поверхность 4 нанесен материал 5 с триботехническими свойствами, обеспечивающими устойчивый коэффициент трения (0,10-0,01), способствующий уменьшению момента сил трения в соединении кольца (бандажа) 3 и ступицы 2 и повышению износостойкости их поверхностей трения.

Соединение кольца (бандажа) 3 со ступицей 2 выполнено по переходной посадке с легким гарантированным натягом. Величина натяга в соединении кольца (бандажа) 3 со ступицей 2 выбирается в зависимости от конструктивных параметров колеса, величины нагрузки, действующей на него, микротопографии поверхностей трения элементов сопряжения, материалов, из которых они изготовлены, и триботехнических свойств материала 5, нанесенного на поверхность 4 соприкосновения ступицы 2 с кольцом (бандажом) 3, а также из условия превышения момента сил трения М_тр в указанном соединении величины момента сил сопротивления движению М_с, но меньше, чем момент сил сцепления колеса с рельсом М_сц с тем, чтобы имелась возможность проскальзывания между ступицей 2 и кольцом (бандажом) 3 при движении по криволинейным участкам пути и при различных угловых скоростях колес колесной пары.

С внутреннего торца колеса в специальной канавке кольца (бандажа) 3 установлено пружинное запорное кольцо 7, предотвращающее сползание бандажа 3 со ступицы 2 в осевом поперечном направлении. На наружной поверхности кольца (бандажа) 3 выполнена поверхность катания 8 для осуществления взаимодействия колеса с поверхностью рельса 6.

В предложенной колесной паре одно из колес может быть выполнено как и в обычном исполнении, когда кольцо (бандаж) 3 напрессовано на ступицу 2 так, что исключается их проскальзывание относительно друг друга.

В соединении кольцо (бандаж) 3 - ступица 2 путем нанесения на поверхность 4 материала 5 с триботехническими свойствами, обеспечивающими коэффициент трения 0,10-0,01, и применения микрорельефной поверхности задается и создается момент трения М_тр = (0,85 - 1,0) М_сц, в котором имеются две основные составляющие: момент трения от посадки с легким гарантированным натягом М_п = (0,75 - 0,85) М_сц и момент трения от контактных давлений, возникающих под действием вертикальной радиальной нагрузки М_н= (0,10 - 0,15) М_сц, где M_сц= П•ψ - расчетный момент сцепления. Здесь П-вертикальная радиальная постоянно действующая нагрузка, прижимающая колесную пару к рельсам; ψ - расчетный коэффициент сцепления (трения покоя) - задается нормами тяговых расчетов.

Наличие натяга в соединении в сочетании с нанесенным на поверхность 4 соприкосновения ступицы 2 с кольцом (бандажом) 3 материалом 5, включающим плакирующие и связующие вещества с заданными триботехническими свойствами, обеспечивает при взаимном перемещении ступицы 2 относительно кольца (бандажа) 3 автокомпенсацию износа и низкие устойчивые коэффициенты трения (0,10 - 0,01).

Колесная пара работает следующим образом.

При приложении крутящего момента от привода начинают вращаться ось 1 и связанные с ней жестко ступицы 2 обоих колес, от которых вращение передается на кольца (бандажи) 3. Поверхности катания 8 колец (бандажей) 3 взаимодействуют с рельсами 6 и в зоне их контакта вращательное движение (крутящий момент М_кр) преобразуется в поступательное движение (силу тяги F) колесной пары и рельсового транспортного средства относительно рельсов 6. Угловые скорости колец (бандажей) 3 колесной пары зависят от соотношения радиусов их поверхностей катания 8.

При трогании колесной пары рельсового транспортного средства, нагруженной вертикальной радиальной нагрузкой П, прижимающей ее к рельсам 6. должно соблюдаться условие
М_с< М_тр ≤М_сц,(1)
где М_тр = М_п+ М_н - суммарный момент сил трения в соединении бандаж - ступица;
М_с - момент сил сопротивления движению колесной пары;
М_сц - расчетный момент сил сцепления.

В случае соблюдения условий неравенства (1) проскальзывания кольца (бандажа) 3 относительно ступицы 2 не будет. При превышении моментом сопротивления движению колеса М_с величины момента М_сц или величины момента сил трения М_тр произойдет соответственно или боксование колеса с проворотом кольца (бандажа) 3 относительно рельса 6, или проскальзывание в соединении ступица 2 - кольцо (бандаж) 3 за счет податливости переходной посадки с гарантированным натягом.

Ввиду низкого коэффициента трения в контакте кольцо (бандаж) 3 - ступица и наличия на поверхности 4 микрорельефа и материала 5 с заданными триботехническими свойствами, обеспечивается отсутствие задиров и уменьшение износа сопрягаемых поверхностей.

При восстановлении условия (1) вращение кольца (бандажа) 3 и ступицы 2 вновь становится синхронным.

Движение колесной пары, сопровождающееся разностью угловых скоростей колес, например, в кривых участках пути создает предпосылки для возникновения дополнительных моментов сопротивления движению и приводит к превышению момента в соединении М_тр. При этом происходят смещение, проворот (проскальзывание) ступицы 2 относительно кольца (бандажа) 3.

Перенесение проскальзывания из зоны контакта колеса с рельсом в зону контакта кольца (бандажа) со ступицей позволяет снизить износ колец (бандажей) и рельсов и повысить срок их службы, а также уменьшить сопротивление движению и затраты энергии транспортного средства.

Макет предлагаемой колесной пары прошел испытания на стенде и показал положительные результаты.

Источники информации
1. Механическая часть тягового подвижного состава./ Под ред. И.В.Бирюкова, - М.: Транспорт, 1992, 440 с.

2. Колесная пара с независимым и совместным вращением поверхностей катания колес. Заявка РФ на изобретение N 94022342/11, кл. B 60 B 37/12, опубл. Б.И., 1997 г., N 13.

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к локомотивам, вагонам, трамваям, путевым машинам. Колесная пара транспортного средства содержит ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью и охвачены кольцами (бандажами). Кольцо (бандаж), по меньшей мере у одного колеса, установлено на ступице с возможностью вращения относительно нее. Соединение кольца (бандажа) со ступицей этого колеса выполнено по переходной посадке с гарантированным натягом, выбранным в зависимости от конструктивных параметров и величины нагрузки, действующей на него, а также из условия превышения момента сил трения в указанном соединении величины момента сил сопротивления движению, но который менее момента сил сцепления, с тем, чтобы имелась возможность проскальзывания между ступицей и кольцом (бандажом) при движении по криволинейным участкам пути и при различных угловых скоростях колес колесной пары. Поверхность соприкосновения ступицы с кольцом (бандажом) выполнена микрорельефной и на нее нанесен материал с триботехническими свойствами, обеспечивающими устойчивый (равновесный) коэффициент трения в диапазоне 0,10- 0,01. В результате снижается износ бандажа и рельсов и повышается их срок службы, а также уменьшается сопротивление движению и затраты энергии транспортного средства. 1 ил.

Колесная пара транспортного средства, содержащая ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью и охвачены кольцами (бандажами), а кольцо (бандаж), по меньшей мере у одного колеса, установлено на ступице с возможностью вращения относительно нее, отличающаяся тем, что соединение кольца (бандажа) со ступицей этого колеса выполнено по переходной посадке с гарантированным натягом, выбранным в зависимости от конструктивных параметров и величины нагрузки, действующей на него, а также из условия превышения момента сил трения в указанном соединении величины момента сил сопротивления движению, но который менее момента сил сцепления, с тем, чтобы имелась возможность проскальзывания между ступицей и кольцом (бандажом) при движении по криволинейным участкам пути и при различных угловых скоростях колес колесной пары, поверхность соприкосновения ступицы с кольцом (бандажом) выполнена микрорельефной и на нее нанесен материал с триботехническими свойствами, обеспечивающими устойчивый (равновесный) коэффициент трения в диапазоне 0,10 - 0,01.