ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА Российский патент 2023 года по МПК B60G21/73 B61F5/24 

Изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта, в первую очередь к вагонам скоростных пассажирских поездов, к двухэтажным пассажирским вагонам, а также к грузовым вагонам.

Известны торсионные стабилизаторы поперечной устойчивости транспортных средств, в том числе производимые серийно ООО «ПРС» для железнодорожных вагонов высокоскоростного подвижного состава [RU 2770029, МПК B61F 5/24, F16C 11/06, 14.04.2022].

Однако, упругая закрутка торсионного вала в составе стабилизатора является скорее недостатком последнего, чем преимуществом (в отличие от торсионных валов как упругих элементов подвесок транспортных средств).

Известна также гидравлическая система стабилизации поперечной устойчивости транспортного средства (аналог заявляемого изобретения), включающая шарнирно закрепленные концевыми участками на переднем и заднем мостах выполненные в виде П-образных торсионов передний и задний стабилизаторы, две гидравлические стойки, выполненные в виде цилиндра и размещенного внутри него поршня со штоком с образованием верхней и нижней гидравлических полостей, верхний и нижний гидропроводы, связывающие соответствующие полости, при этом стабилизаторы средней частью соединены с помощью тяги и гидравлической стойки с неподрессоренной частью транспортного средства [RU 2318678 С1, МПК B60G 21/06, 10.03.2008].

Недостатком устройства заключается в том, что фактически поперечную устойчивость транспортного средства (автомобиля) обеспечивают торсионные стабилизаторы поперечной устойчивости, требующие значительного количества шарнирных соединений, и дополнительно связанные гидравлической системой, снижающей наклон транспортного средства (автомобиля) не в поперечной, а в продольной плоскости.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является гидравлический стабилизатор поперечной устойчивости железнодорожного вагона («гидравлическое устройство для повышения устойчивости транспортных средств»), содержащий (ее) симметрично и шарнирно установленные по бортам вагона между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова под полезную нагрузку переменной массы одинаковые левый и правый реверсивные (двойного действия) гидравлические цилиндры, верхние и нижние рабочие полости которых перекрестно соединены гидромагистралями (трубопроводами) так, что верхняя полость левого гидроцилиндра соединена с нижней полостью правого гидроцилиндра, а верхняя полость правого гидроцилиндра соединена с нижней полостью левого гидроцилиндра, а также содержащий(ее) установленное в вертикальной продольной плоскости вагона устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в рабочих полостях упомянутых гидроцилиндров в зависимости от массы упомянутой полезной нагрузки, включающее в себя две изолированные друг от друга гидравлические полости, сообщающиеся каждая с источником давления и одной из упомянутых гидромагистралей (трубопроводом) [RU 2249521 С1, МПК B61F 5/02, 10.04.2005].

В устройстве-прототипе грузовая платформа прикреплена к ходовой части на опорно-шарнирных соединениях, расположенных на продольной оси и торцах ходовой части, корпуса реверсивных гидроцилиндров закреплены под углом к горизонтальной плоскости шарнирно и симметрично оси на ходовой части, а штоки - симметрично краям основания грузовой платформы для повышения ее устойчивости, управляющий сигнал вырабатывается при появлении разности давлений в верхних и нижних полостях гидроцилиндров при движении вагона по неровностям и криволинейностям железной дороги, а соответственно в трубопроводах, соединяющих полости, подключенных к распределительной камере, где расположен уравновешенный калиброванными пружинами двухсторонний клапан, обеспечивающий перераспределение потоков жидкости, поступающих в камеру золотникового плунжера, который перемешается на длину, пропорциональную разности давлений на его торцевые поверхности, перекрывает или открывает отверстия магистралей: находящейся под давлением, нагнетаемым насосом, и сбросов жидкости в бак, обеспечивающие плавное перемещение штоков гидроцилиндров, находящихся под нагрузкой в замкнутой системе, или их работу в открытой системе, получающей энергию от внешнего источника, которая позволяет создать дополнительные усилия в гидроцилиндрах, препятствующих действию опрокидывающих моментов, а также реализовать дополнительную функцию самосвальной разгрузки грузовой платформы (в частном случае грузового вагона).

В принципе, устройство-прототип обеспечивает безопасность движения и повышение комфортабельности движения пассажирских поездов за счет снижения крена железнодорожных пассажирских вагонов в первую очередь скоростных и двухэтажных, при движении в кривых под действием центробежных сил, а также при движение на прямых участках под воздействием бокового ветра, а также обусловленного извилистым движением колесных пар, прочих условий.

Недостатком же устройства-прототипа (проблемой прототипа) является конструктивная его сложность, требующая наличия нагнетательного насоса, масляного бака, золотникового устройства и двухстороннего клапана.

Упомянутый маслонасос требует наличия источника энергии. В грузовом вагоне какая либо энергия практически отсутствует, нет электричества, а сжатый воздух используют для тормозов и тратить его на привод насоса стабилизатора недопустимо. В пассажирском вагоне есть электричество, но для отопления, освещения, вентиляции, кондиционирования и пр.. Если вагон питается от контактной сети через локомотив, то, возможно, у него может быть запас электроэнергии, а если от своего подвагонного генератора, то запаса практически нет.

Задачей заявляемого изобретения является конструктивное и функциональное упрощение устройства регулирования давления.

Решение поставленной задачи (устранение проблемы) достигается тем, что в гидравлическом стабилизаторе поперечной устойчивости железнодорожного вагона, содержащем симметрично и шарнирно установленные по бортам вагона между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова под полезную нагрузку переменной массы одинаковые левый и правый реверсивные гидравлические цилиндры, верхние и нижние рабочие полости которых перекрестно соединены гидромагистралями так, что верхняя полость левого гидроцилиндра соединена с нижней полостью правого гидроцилиндра, а верхняя полость правого гидроцилиндра соединена с нижней полостью левого гидроцилиндра, а также содержащем установленное в вертикальной продольной плоскости вагона устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в рабочих полостях упомянутых гидроцилиндров в зависимости от массы упомянутой полезной нагрузки, две изолированные друг от друга гидравлические полости которого сообщаются каждая с источником давления и одной из упомянутых гидромагистралей, упомянутое устройство регулирования давления выполнено в виде вертикально установленного на шарнирах между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова двойного компенсационного гидравлического цилиндра, включающего в себя шток с двумя поршнями и последовательно со штоком установленный упругий элемент в виде распорной пружины, воздействующей на шток с поршнями с силой упругости, пропорциональной фактическому весу полезной нагрузки, с обеспечением постоянной жесткости гидравлического стабилизатора независимо от величины массы полезной нагрузки.

Указанная задача решается (проблема устраняется) также за счет дополнительных существенных совокупностей признаков устройства:

- у всех трех гидроцилиндров нижние поршни могут быть выполнены меньшей площади поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней, на величину площади поперечного сечения штоков, с возможностью одинакового изменения давления рабочей жидкости в обеих гидромагистралях при перемещении упомянутых штоков в упомянутых гидроцилиндрах (это обеспечивает полную симметричность левой и правой частей устройства, усиливает технический результат использования заявляемого изобретения, за счет еще большего упрощения устройства: нет необходимости дополнять устройство еще одним, вспомогательным гидроцилиндром, вносящим поправку на вытеснение рабочего объема одной из полостей компенсационного гидроцилиндра штоком);

- у левого и правого реверсивных гидроцилиндров поршни могут быть выполнены меньшей площади поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней на величину площади поперечного сечения штоков, с возможностью одинакового изменения давления рабочей жидкости в обеих гидромагистралях при перемещении упомянутых штоков в упомянутых гидроцилиндрах, а двойной компенсационный гидроцилиндр центрального расположения может быть выполнен с одинаковой площадью поперечного сечения поршней (это также обеспечивает полную симметричность левой и правой частей устройства, дополнительно к предыдущему частному случаю, усиливает технический результат использования заявляемого изобретения, за счет дополнительного упрощения устройства: нет необходимости выполнять центральный гидроцилиндр с «перепадом» диаметров его цилиндрического корпуса и в большей мере отвечает принципу унификации в машиностроении).

Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупности существенных признаков которых (и для основной совокупности и в сочетании с дополнительной) совпадали бы с заявленными. В то же время, именно за счет последних достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства квалификационного признака «мировой уровень новизны».

Совокупности отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «эмерджентность» или «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не является очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С указанным выше спектром ТЭХ устройства. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же, причем достаточно продолжительного, распространенного и актуального опыта создания (разработки и внедрения) гидравлических схем и конструкций в России и за рубежом.

Заявляемый гидравлический стабилизатор показан на чертежах (фигуры 1-5):

на фиг. 1 - устройство стабилизатора со схемой его монтажа на железнодорожном вагоне с кузовом переменной массы, поперечное сечение вагона, где позициями обозначены:

1л и 1п - соответственно левый и правый реверсивные (двойного действия) гидроцилиндры; 2 - подрессоренная рама кузова вагона; 3- рама тележки вагона; 4 и 5 - изолированные друг от друга гидромагистрали (трубопроводы), перекрестно соединяющие полсти левого и правого реверсивных гидроцилиндров; 6 - устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в рабочих полостях упомянутых гидроцилиндров (двойной компенсационный гидравлический цилиндр с двумя поршнями на общем штоке); 7 - упругий элемент (распорная пружина), установленная в компенсационном гидравлическом цилиндре последовательно штоку; 8 - левый и правый упругие элементы подвески подрессоренной рамы вагона;

на фиг. 2, 3 - схемы «проседания» поршней гидроцилиндров под действием полезной нагрузки F₁ и F₂ > F₁, где номера позиций соответствуют указанным на фиг. 1;

на фиг. 4 - схемы «проседания» поршней гидроцилиндров под действием полезной нагрузки F₁, частный случай (пример) со всеми гидроцилиндрами, выполненными каждый с двумя различными диаметрами поршней в обеспечение равенства обеих рабочих полостей, где дополнительно введены позиции: 9л - шток левого гидроцилиндра 1л; 10л - верхний поршень (большего диаметра) левого гидроцилиндра 1л; 11п - нижний поршень (меньшего диаметра) левого гидроцилиндра 1л; 9п - шток правого гидроцилиндра 1п; 10п - верхний поршень (большего диаметра) правого гидроцилиндра 1п; 11п - нижний поршень (меньшего диаметра) правого гидроцилиндра 1п; 12 - шток компенсационного (центрального) гидроцилиндра 6; 13 - верхний поршень (большего диаметра) компенсационного гидроцилиндра 6; 14 - нижний поршень (меньшего диаметра) компенсационного гидроцилиндра 6;

на фиг. 5 - устройство, аналогичное устройству на фиг. 4, но с поршнями одинакового диаметра для компенсационного гидроцилиндра центрального расположения, где номера позиций соответствуют указанным на фиг. 4.

Гидравлический стабилизатор поперечной устойчивости железнодорожного вагона содержит симметрично и шарнирно установленные по бортам вагона между рамой 3 колесной тележки и подрессоренной рамой 2 кузова под полезную нагрузку F₁ переменной массы одинаковые левый и правый реверсивные (двойного действия) гидравлические цилиндры 1л и 1п. Их верхние и нижние рабочие полости перекрестно соединены изолированными друг от друга гидромагистралями (трубопроводами) 4 и 5 так, что верхняя полость левого гидроцилиндра 1 л соединена с нижней полостью правого гидроцилиндра 1п, а верхняя полость правого гидроцилиндра 1п соединена с нижней полостью левого гидроцилиндра 1л. Стабилизатор содержит также установленное в вертикальной продольной плоскости вагона устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в рабочих полостях гидроцилиндров 1л и 1п в зависимости от массы полезной нагрузки F₁, две изолированные друг от друга гидравлические полости которого (штоковая и безштоковая) сообщаются каждая с источником давления и одной(им) из гидромагистралей (трубопроводов) 4 и 5.

Упомянутое устройство регулирования давления выполнено в виде вертикально установленного на шарнирах между рамой 3 колесной тележки и подрессоренной рамой 2 кузова двойного компенсационного (центрального) гидравлического цилиндра 6. Последний (6), по первому частному примеру выполнения, включает в себя шток с двумя поршнями (все под поз. 6) и последовательно со штоком установленный упругий элемент в виде распорной пружины 7, воздействующей на шток с поршнями цилиндра 6 с силой упругости, пропорциональной фактическому весу F₁ полезной нагрузки, с обеспечением постоянной жесткости гидравлического стабилизатора независимо от величины массы полезной нагрузки.

Иначе говоря, гидравлические цилиндры 1л и 1п установлены между подрессоренной 2 и неподрессоренной 3 массами (рамами) вагона таким образом, что их штоки шарнирно соединены с подрессоренной массой (рамой) 2 посредством распорной пружины 7, а корпуса цилиндров 1л и 1п - шарнирно с неподрессоренной массой (рамой) 3.

Согласно изображенному на фиг. 4 частному случаю (примеру), устройство скорректировано следующим образом.

Нижние поршни 11л и 11п левого 1л и правого 1п гидроцилиндров соответственно выполнены меньшей площади поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней 10л и 10п, на величину площади поперечного сечения штоков 9 л и 9п соответственно. Нижний поршень 14 компенсационного гидравлического цилиндра 6 также выполнен меньшей площади поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения его верхнего поршня 13 на величину площади поперечного сечения штока 12. С возможностью одинакового изменения давления рабочей жидкости в обеих гидромагистралях (обоих трубопроводах) 4, 5 при перемещении любого из штоков 9л, 9п и 12 в гидроцилиндрах 1л, 1п и компенсационном гидроцилиндре 6.

Иными словами (обобщая изложенное в предыдущем абзаце), у всех трех гидроцилиндров по частному примеру с иллюстрацией фиг. 4 конструктивного исполнения (1л, 1п и 6) нижнее поршни (11л, 11п и 14) выполнены меньшей площади, поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней (10л, 10п и 13), на величину площади поперечного сечения штоков (9л, 9п и 12).

Еще один возможный частный пример - по фиг. 5, где левый 1л и правый 1п гидроцилиндры идентичны по конструкции крайним цилиндрам в частном примере по фиг. 4, а гидроцилиндр 6 центрального расположения выполнен с одинаковой площадью поперечного сечения поршней 13 и 14.

Для упрощения пояснительных чертежей на них не изображены направляющие элементы и гасители колебаний. Данные элементы никоим образом не связаны с работой стабилизатора поперечной устойчивости.

Заявляемый гидравлический стабилизатор работает следующим образом.

В рассматриваемом первом примере (см. фиг. 1-3) пренебрегаем (при относительно тонких штоках, в сравнении с поршнями, в гидроцилиндрах 1л, 1п и 6) объемом, который занимает шток поршня в надпоршневой полости (компенсацию объема штока обеспечивает, как дополнительную функцию, компенсационный гидроцилиндр 6, а можно обеспечить и включением в гидросистему дополнительного компенсационного цилиндра, которые здесь показывать не обязательно).

Во втором примере (см. фиг. 4), где площади поперечного сечения штоков 9л, 9п и 12 учтены, для чего подпоршневые полости гидроцилиндров 1л, 1п и 6 выполнены с разными диаметрами, это не требуется.

На фиг. 2, 3 и особенно на фиг. 4, 5 видно, что при равномерном увеличении нагрузки на оба упругих элемента, поршни цилиндров 1 л и 1п переместятся на равное расстояние и вытеснят одинаковые объемы рабочей жидкости в надпоршневые пространства противоположных цилиндров 1л и 1п. Рабочие полости гидроцилиндра 6 при этом выполняют компенсирующую (разности объемов безштоковой и штоковой полостей) функцию.

В итоге гидравлический стабилизатор, подобно торсионному, не будет оказывать какого-либо влияния на работу упругих элементов.

При возникновении боковой силы (центробежной на криволинейных участках пути и/или скатывающей под косогор), наиболее нагруженный цилиндр (1л или 1п) будет выталкивать объем жидкости из подпоршневой полости в надпоршневую противоположного цилиндра (1п или 1л соответственно) и вызывать тем самым синхронное перемещение его поршня и штока вниз.

При этом, если считать жидкость абсолютно не сжимаемой, крен кузова вагона возникать не будет. Иначе говоря, рассматриваемая система будет вести себя аналогично торсионному стабилизатору с абсолютной жесткостью (нескручиваемому при приложении крутящего момента).

Вагон, при увеличении его веса (что характерно как для грузового, так и для пассажирского вагона), например, от F₁ (см. фиг. 2 или фиг. 4, 5) до F₂ (см. фиг. 3), деформирует пружину 7 и смещает при этом вниз шток в устройстве регулирования давления рабочей жидкости, выполненном (как описано выше) в виде вертикально установленного на шарнирах между рамой 3 колесной тележки и подрессоренной рамой 2 кузова двойного компенсационного гидравлического цилиндра 6, распорной пружины 7, воздействующей на шток с поршнями цилиндра 6 с силой упругости, пропорциональной фактическому весу полезной нагрузки, с обеспечением постоянной жесткости гидравлического стабилизатора независимо от величины массы полезной нагрузки.

При этом «просевшие» поршни гидроцилиндра 6 автоматически увеличивают давление жидкости в гидромагистралях (трубопроводах) 4 и 5, а значит и в соответствующих полостях гидроцилиндров 1л и 1п, поскольку это требуется для восприятия увеличившейся боковой (кренящей) силы.

При рассмотрении конструкций по фиг. 4 и 5 очевидно (с учетом законов Ньютона и Паскаля), что для обеспечения упомянутого «проседания» штока 12 с автоматической компенсацией изменения силы тяжести F, выполнение гидроцилиндра 6 по частному случаю фиг. 4 или по частному случаю фиг. 5, принципиального значения не имеет: оба устройства работоспособны и отличаются подбором конкретных цифровых значений геометрических размеров.

Использование заявляемого изобретения позволяет достичь положительного технического результата, а именно - конструктивно и функционально упростить устройство регулирования давления.

Изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта, в частности к гидравлическим стабилизаторам поперечной устойчивости железнодорожных вагонов. Симметрично по бортам вагона шарнирно установлены одинаковые левый и правый гидравлические реверсивные цилиндры. Верхняя полость левого гидроцилиндра соединена гидромагистралью с нижней полостью правого гидроцилиндра, а верхняя полость правого гидроцилиндра соединена гидромагистралью с нижней полостью левого гидроцилиндра. В вертикальной плоскости вагона установлено устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в зависимости от массы вагона. Две изолированные друг от друга гидравлические полости устройства сообщаются каждая с источником давления и одной из гидромагистралей. Устройство регулирования давления выполнено в виде вертикально установленного на шарнирах между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова двойного компенсационного гидравлического цилиндра, включающего в себя шток с двумя поршнями и последовательно со штоком установленный упругий элемент в виде распорной пружины. Пружина воздействует на шток с поршнями с силой упругости, пропорциональной фактическому весу полезной нагрузки, с обеспечением постоянной жесткости гидравлического стабилизатора независимо от величины массы полезной нагрузки. Упрощается устройство регулирования давления. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидравлический стабилизатор поперечной устойчивости железнодорожного вагона, содержащий симметрично и шарнирно установленные по бортам вагона между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова под полезную нагрузку переменной массы одинаковые левый и правый реверсивные гидравлические цилиндры, верхние и нижние рабочие полости которых перекрестно соединены гидромагистралями так, что верхняя полость левого гидроцилиндра соединена с нижней полостью правого гидроцилиндра, а верхняя полость правого гидроцилиндра соединена с нижней полостью левого гидроцилиндра, а также содержащий установленное в вертикальной продольной плоскости вагона устройство автоматического регулирования давления рабочей жидкости в рабочих полостях упомянутых гидроцилиндров в зависимости от массы упомянутой полезной нагрузки, две изолированные друг от друга гидравлические полости которого сообщаются каждая с источником давления и одной из упомянутых гидромагистралей, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования давления выполнено в виде вертикально установленного на шарнирах между рамой колесной тележки и подрессоренной рамой кузова двойного компенсационного гидравлического цилиндра, включающего в себя шток с двумя поршнями и последовательно со штоком установленный упругий элемент в виде распорной пружины, воздействующей на шток с поршнями с силой упругости, пропорциональной фактическому весу полезной нагрузки, с обеспечением постоянной жесткости гидравлического стабилизатора независимо от величины массы полезной нагрузки.

2. Гидравлический стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что у всех трех гидроцилиндров нижние поршни выполнены меньшей площади поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней на величину площади поперечного сечения штоков, с возможностью одинакового изменения давления рабочей жидкости в обеих гидромагистралях при перемещении упомянутых штоков в упомянутых гидроцилиндрах.

3. Гидравлический стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что у левого и правого реверсивных гидроцилиндров поршни выполнены меньшей площади поперечного сечения, чем площади поперечного сечения верхних их поршней на величину площади поперечного сечения штоков, с возможностью одинакового изменения давления рабочей жидкости в обеих гидромагистралях при перемещении упомянутых штоков в упомянутых гидроцилиндрах, а двойной компенсационный гидроцилиндр центрального расположения выполнен с одинаковой площадью поперечного сечения поршней.