ОДНООСНАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ТЕЛЕЖКА Российский патент 2003 года по МПК B60L13/03 B61F3/16 

Предлагаемое изобретение относится к высокоскоростному железнодорожному пассажирскому и грузовому колесному рельсовому транспорту.

Известна двухосная железнодорожная тележка с жесткой базой, составляющей 2,74 части от диаметра колеса [1, с.7, рис.2]. В этой тележке имеется колесная пара. Нагрузка от вагона передается на колесную пару через рессоры. Каждая из колесных пар имеет два колеса с внутренними гребнями на бандаже и колеса жестко посажены на общий вал.

Поверхность катания колес по рельсу имеет сложный многоконусный профиль, взаимодействующий с выпуклым профилем головки рельса не только поверхностью катания, но и гребнем.

На железнодорожном транспорте колесная пара и рельсовый путь являются частями единого механизма и их невозможно отделить друг от друга. Примем известное решение за аналог. В аналоге упомянутый механизм "колесная пара - рельсы" работает плохо, что подтверждается многочисленными крушениями на железнодорожном транспорте, вызванными проваливанием колесных пар между рельсов. Это ярко иллюстрирует рисунок из книги Фришмана М.А. [2, рис. 109]. Часто величина опирания колеса на рельс совершенно недостаточна!
Главный недостаток аналога заключается в том, что механизму "колесная пара - рельсы" запрограммировано выполнение одновременно трех функций: опорно-несущей, направляющей и функции дифференциала. Этот недостаток был незаметен при малых скоростях подвижного состава. При современных скоростях провоцирует большие затраты на техническое обслуживание рельсовых дорог, а для высокоскоростных магистралей существующий механизм "колесная пара - рельсы" должен быть заменен более надежным.

Следствием упомянутого недостатка является так называемое виляющее движение колесной пары, которую в этом движении можно уподобить многопудовому молоту, посылающему с большой силой и высокой частотой боковые удары по рельсу. Легко представить себе, какие сложные и, следовательно, дорогостоящие инженерные решения приходится противопоставлять этим динамическим нагрузкам.

В течение последних десятилетий быстро возрастают темпы износа колес подвижного состава и рельсов. Типичным стало ненормальное явление, когда колеса и рельсы практически перестают изнашиваться по поверхности катания, которая специально предназначена только для качения колеса по рельсу. Взаимодействие колес и рельсов происходит через гребни колес, которые срезаются рельсами, как при обдирке на станке [3, с. 36].

При скоростном движении имеет место:
- проскальзывание колес, особенно на кривых участках пути, что приводит к интенсивному износу колес, рельсов и расстраивает рельсовый путь;
- сложный профиль поверхности катания очень быстро нарушается;
- из-за конусности колес рельсы ставят не вертикально, а с уклоном внутрь, что усложняет конструкцию креплений и повышает расходы на текущее содержание пути;
- при виляющем движении колесные пары проходят в единицу времени больший путь по рельсу, нежели сам экипаж, что вызывает ускоренный износ трущихся поверхностей механизма "колесная пара - рельсы".

Техническая задача изобретения - повышение надежности пути и подвижного состава при скоростях порядка до 500 км/ч.

Техническая задача достигнута следующим. В аналоге одноосная железнодорожная тележка содержит колесную пару с жестко посаженными на вал колесами, опирающимися на рельсы.

Упомянутая тележка приводится в движение линейным электродвигателем, который взаимодействует с направляющим тяговым рельсом, являющимся ротором.

В конструкции выполнены следующие изменения. Каждое из двух колес жестко посажено на свой двуплечий вал, взаимодействующий своими концами через подшипниковые узлы с балансирной рамой.

Балансирная рама взаимодействует в свою очередь через шарнирные соединения с надроликовой площадкой, несущей две симметричные пары направляющих роликов. Направляющие ролики взаимодействуют с боков с направляющим тяговым рельсом. Рама вагона опирается сверху на подрессорную площадка через рессоры, а каждое из колес опирается сверху на рельс, закрепленный на трубчатой балке.

Возможно размещение первичной обмотки линейного электродвигателя (статор) симметрично относительно направляющего рельса, являющегося вторичной обмоткой электродвигателя.

Сопоставление предложенного устройства с аналогом показывает отличие в пользу разработанной одноосной тележки:
- в механизм "колесная пара - рельсы" колесная пара расчленена, заменена двумя цилиндрическими безребордными колесами с независимой подвеской, а направляющая функция возложена на тяговый направляющий рельс и две пары направляющих роликов, а также на линейный электродвигатель;
- существенно упрощена конструкция тележки с одновременным повышением ее эксплуатационных возможностей, так как у тележки отсутствует жесткая база, что упрощает конструкцию и обеспечивает легкость вписывания ее в кривые участки пути с минимальным трением, уменьшена масса тележки;
- ликвидированы боковые горизонтальные силы Т на рельс вследствие отсутствия гребня на бандаже колеса, а продольные тяговые силы и силы торможения перенесены на средний тяговый направляющий рельс;
- упрощается профиль бандажа и контактирующей с ним головки рельса и обеспечивается равномерный износ контактирующих поверхностей колеса и рельса;
- исключается сход подвижного состава с рельсов и обеспечивается плавность движения без виляния;
- диаметр колес тележки уменьшен до размера порядка 500 мм, а это помимо прочих преимуществ снижает центр тяжести экипажа и перевозимого груза;
- линейный электродвигатель полностью подрессорен: первичная обмотка электродвигателя подвешена к вагону, а вторичная закреплена на рельсовом пути, в результате чего повышается динамическая устойчивость подвижного состава и улучшаются условия работы рельсового пути.

На фиг. 1 показана в трех проекциях предлагаемая одноосная железнодорожная тележка линейным электродвигателем; первичная обмотка линейного электродвигателя расположена над вторичной обмоткой; на фиг.2 также показана предлагаемая железнодорожная тележка, но первичная обмотка линейного электродвигателя обхватывает направляющий тяговый рельс (вторичная обмотка).

Одноосная железнодорожная тележка содержит колеса 1, каждое из которых соединено с валом 2. Вал 2 взаимодействует через подшипниковые узлы 3 с балансирной рамой 4. Балансирная рама 4 через подрессорную площадку 5 связана шарнирными соединениями 6 со второй аналогичной балансирной рамой 4, симметричной первой. Надроликовая площадка 7 несет под собой две пары направляющих роликов 8 и первичную обмотку 9 (статор) линейного электродвигателя. На подрессорной площадке 5 установлены рессоры 10, воспринимающие все виды нагрузок от рамы 11 вагона.

Направляющие ролики 8 взаимодействуют с боков с направляющим тяговым рельсом 12. Направляющий тяговый рельс 12 сам является вторичной обмоткой линейного электродвигателя (ротор). Для уменьшения же электропотерь на нем закреплена электропроводящая полоса 13.

Каждое безребордное колесо 1 взаимодействует с рельсом 14. Рельс 14 закреплено на несущей трубчатой балке 15, обладающей амортизирующими свойствами. Ширина рельса 14 и толщина обода колеса 1 равны друг другу, причем контактирование происходит на всей ширине-толщине их.

Трубчатая балка 15 используется для пневмотранспорта, например, для контейнерно-капсульной транспортировки почты, конфет, печенья.

Особо следует отметить, что предлагаемая транспортная магистраль не имеет ни одного стрелочного перевода, тем более в ней исключены пересечения путей на одном уровне, которые осуществляются на разных уровнях местности.

В основу прокладки магистрали положена прямолинейность рельсовых путей, к тому же вынужденные закругления выполняются радиусом R=800...1500 м.

При грузовом выполнении предлагается контейнерная перевозка с загрузкой и разгрузкой контейнеров на специальных грузовых терминалах.

Работа одноосной железнодорожной тележки
Вертикальные силы от массы вагона и груза передаются от рамы вагона 11 через рессорные опоры 10 на подрессорную площадку 5, соединенную с балансирной рамой 4. Далее через подшипниковые узлы 3 на вал 2, колесо 1 и далее через зону контакта с колеса на рельс 14.

Горизонтально направленные инерционные силы Т возникающие, например, на закруглениях пути, передаются с рамы вагона 11 через рессорные опоры 10 на подрессорную площадку 5, затем на соединенную с ней балансирную раму 4 и далее через шарнирные соединения 6 на надроликовую площадку 7.

С надроликовой площадки 7 горизонтальные инерционные силы Т при нормальных условиях эксплуатации передаются на первичную обмотку 9 (статор, соединенный с надроликовой площадкой 7). С первичной же обмоткой 9 через магнитное поле линейного двигателя горизонтальные инерционные усилия Т передаются на электропроводящие полосы 13 и тяговый рельс 12. В случае аварийного отключения электроэнергии горизонтальные инерционные усилия Т передаются на направляющие ролики 9 и на тяговый рельс 12. Направляющие ролики 9 одновременно исключают сход состава с рельсов.

В аварийной ситуации зазор между верхней полкой направляющего рельса 12 и роликами 8 закрывается и возникают силы, удерживающие железнодорожный состав от опрокидывания. При работе линейно тягового двигателя направляющие ролики 8 не касаются тягового рельса 12 и не создают дополнительных сил трения, препятствующих поступательному движению железнодорожного состава. Колеса 1 без гребней. Каждое из колес 1 имеет свой вал 2. Поэтому на кривых участках пути колеса, проходя разное расстояние, не проскальзывает по рельсам 14, не истирают их и не препятствуют продольному поступательному движению железнодорожного состава. Расход электроэнергии в этом случае по сравнению с аналогом уменьшается в два раза [5].

При включении первичной обмотки (статора) линейного электродвигателя в электрическую сеть в ней возникает линейно бегущее магнитное поле, индуцирующее ЭДС и токи во вторичной обмотке (роторе) электродвигателя.

В результате взаимодействия линейно бегущего магнитного поля статора с токами в роторе возникает сила тяги, приводящая в линейное движение одноосную тележку вдоль путевого полотна. Сила тяги и скорость тележки регулируются изменениями параметров обмотки статора и величины подводимого к линейному электродвигателю напряжения и частоты питающего тока.

Поскольку в предлагаемой конструкции одноосной железнодорожной тележки колеса безребордные, то направляющая функция возложена на линейный электродвигатель, на его первичную (статор) и вторичную (ротор - тяговый рельс) обмотки. Направляющие ролики 8 выполняют страховочную роль.

Экономический эффект достигнут:
- из-за повышения надежности механизма "колесо - рельс" в несколько раз благодаря исключению возможности схода состава с рельсов;
- из-за простоты конструкции, значительного снижения материалоемкости и габаритов тележки.

Экономический эффект достигнут при изготовлении тележки и главное из внушительного сокращения эксплуатационных расходов на текущее содержание механизма "колесная пара - рельсы" [3].

Экономический эффект достигнут также из-за уменьшения сил трения при движении состава и как следствие уменьшение износа рельсов.

Список литературы
1. Электропоезда переменного тока: Учебное пособие для ПТУ/ М.М. Авдеев и др. М.: Транспорт, 1985 - 386 с.

2. Фришман Н.А. Как работает путь под поездами. - М.: Транспорт, 1983 - 168 с.

3. Никифоров Б.Д., академик / Железнодорожный транспорт, 1995, 10.

4. Мани Л. Транспорт, энергетика, будущее: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987-160 с.

5. Справочник по кранам: В 2 т. Т.2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов/М.П. Александров, М.М. Гохберг.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к высокоскоростному подвижному составу. Технический результат - повышение надежности пути и подвижного состава при высоких скоростях движения. Устройство содержит тележку, каждое их двух колес которой жестко посажено на свой двуплечий вал. Вал взаимодействует своими концами с балансирной рамой через подшипниковые узлы. Балансирная рама шарнирно соединена с надроликовой площадкой, которая несет две пары направляющих роликов, взаимодействующих с тяговым рельсом. Тяговый рельс является вторичной обмоткой линейного электродвигателя, первичная обмотка которой подвешена к вагону. Рама вагона опирается сверху на подрессорную площадку через рессоры. Каждое колесо опирается сверху на рельс, закрепленный на трубчатой балке. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Одноосная железнодорожная тележка, содержащая колесную пару с жестко посаженными на вал колесами, опирающимися на рельсы, причем в середине между ними размещен направляющий рельс, являющийся ротором линейного электродвигателя, отличающаяся тем, что каждое из двух колес жестко посажено на свой двуплечий вал, взаимодействующий своими концами через подшипниковые узлы с балансирной рамой, взаимодействующей в свою очередь через шарнирные соединения с надроликовой площадкой, несущей две симметричные пары направляющих роликов, взаимодействующих с боков с направляющим тяговым рельсом, причем рама вагона опирается сверху на подрессорную площадку через рессоры, при этом каждое из колес опирается сверху на рельс, закрепленный на трубчатой балке. 2. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что первичная обмотка линейного электродвигателя (статор) размещена симметрично относительно направляющего рельса, являющегося вторичной обмоткой электродвигателя.