Устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки рельсового транспортного средства

 

Изобретение позволяет уменьшить вес устройства для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова (К) на три тележки (Т) транспортного средства и улучшить его динамические характеристики. Узел балансирной поперечной горизонтальной связи К 1 с Т 2, 3, 4 содержит продольный торсионный вал 5, установленный на К в подшипниках 6, 7, 8. На концах вала 5 неподвижно закреплены направленные в противоположные стороны вертикальные рычаги 10, 11, 12. Поперечные горизонтальные штанги 16, 17, 18 шарнирно связывают концы рычагов 10, 11, 12 с центрами Т 2, 3, 4 и могут быть жесткими или упругими на растяжение-сжатие, что достигается включением в них упруго-диссипативных элементов. Штанги 16, 17, 18 могут также содержать элементы, регулирующие их длину и тем самым поперечное положение К относительно Т. Торсионный вал 5 может быть жестким или податливым на кручение; в последнем случае штанги 16, 17, 18 могут быть жесткими. Все устройство может быть размещено над Т 2, 3, 4. Возможно размещение одной из штанг 16, 17, 18 под соответствующей Т, а второй над Т. Распределение сил между Т определяется соотношением плеч рычагов 10, 11, 12 и при одинаковых плечах равномерно. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к колесному, в частности железнодорожному транспорту, и касается устройств, соединяющих тележки с кузовом транспортных средств, преимущественно локомотивов, выполненных в виде экипажа с жестким кузовом на трех тележках.

Известно устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки железнодорожного экипажа на трех тележках, состоящее из двух систем маятникового (люлечного) подвешивания, установленных на крайних тележках, и системы опирания кузова на среднюю тележку в виде сжатых качающихся стержней, обладающих продольной упругостью. При движении в прямых возвращающая сила для боковых отклонений кузова на тележках в этой системе создается практически только за счет работы люлечных подвесок крайних тележек. При движении в кривых отрицательная жесткость поперечной горизонтальной связи кузова со средней тележкой создает дополнительную силу, приложенную к кузову и направленную к центру кривой, что в некоторых режимах несколько улучшает условия вписывания по статическому воздействию на путь крайних тележек.

Однако такая конструкция имеет и существенный недостаток. При длительном действии на кузов больших поперечных горизонтальных сил происходит большой сдвиг кузова относительно тележек, поскольку этому смещению противодействует, как уже сказано, практически только возвращающая сила сравнительно мягких связей кузова с крайними тележками, а связь со средней тележкой создает даже отрицательное действие. В результате возникающего при этом дрейфа нуля характеристика поперечной горизонтальной связи кузова с ходовой частью становится существенно несимметричной, чем ухудшаются динамические качества экипажа вплоть до возникновения жестких поперечных ударов в ограничителях сдвига кузова на тележках. Увеличение же с целью уменьшения указанного устойчивого сдвига жесткости поперечных горизонтальных связей кузова с крайними тележками выше общепринятых оптимальных значений нежелательно, поскольку это увеличивает участие самой большой массы транспортного средства (например, кузова с оборудованием локомотива) в динамическом поперечном горизонтальном воздействии на путь при прохождении местных горизонтальных неровностей пути.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство сопряжения кузова рельсового транспортного средства по меньшей мере с тремя тележками. Его отличительная особенность состоит в том, что устройство балансированной связи содержит расположенный в горизонтальной плоскости шарнирно-рычажный механизм, состоящий из шарнирно закрепленных на кузове Г-образных рычагов и на средней тележке балансира, связанных между собой и с тележками системой продольных и поперечных штанг.

Главный недостаток прототипа, как и аналога, определяется его кинематической схемой. Различие в следующем. В аналоге поперечная горизонтальная связь кузова с тремя тележками осуществляется независимо в трех поперечных плоскостях, т.е. статически неопределима, чем обусловлена зависимость распределения поперечных горизонтальных сил, передаваемых на тележки со стороны кузова, от их относительного перемещения в указанном направлении. В схеме экипажа система поперечных горизонтальных силовых связей кузова с тремя тележками полностью сбалансирована в продольном направлении, т.е. образует эквивалентную подвижную силовую связь тележек с кузовом только в одной поперечной плоскости. Благодаря этому экипаж с применением такой системы связи кузова с тележками должен содержать по крайней мере еще одну тележку, связанную с кузовом во второй поперечной плоскости, что совершенно необходимо для обеспечения устойчивости кузова на системе тележек. Без этого схема связи тележек с кузовом не обеспечивает даже статической устойчивости экипажа, т.е. для экипажа с одним жестким кузовом на трех тележках такая система принципиально неприменима.

Существенный недостаток прототипа состоит также в том, что его кинематическая схема содержит плоские пары трения со значительными перемещениями в них, из-за чего эти узлы не могут быть выполнены без абразивного износа и необходимости смазки.

Целью изобретения является обеспечение устойчивости кузова транспортного средства, экипаж которого состоит из трех тележек и опирающегося на них жесткого кузова.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки транспортного средства с тремя тележками и жестким кузовом, содержащим узел балансированной связи тележек с кузовом, указанный узел выполнен в виде продольного торсионного вала, установленного на кузове в подшипниках и несущего вертикальные рычаги, неподвижно закрепленные на указанном валу в поперечных плоскостях, проходящих через центры тележек, направленные у крайних и средней тележек в противоположные стороны и шарнирно связанные с тележками поперечными горизонтальными штангами. Эти штанги могут быть выполнены упругими или жесткими; при этом в последнем случае торсионный вал может быть выполнен упругим на кручение. С целью упрощения монтажа торсионный вал может быть выполнен составным, например, состоящим из трех частей. В предлагаемом устройстве длина рычагов, установленных на торсионном вале, имеет только конструктивные ограничения; в частности, плечо рычага, связывающего торсионный вал со средней тележкой, может быть вдвое большим, чем у рычагов, связывающих торсионный вал с крайними тележками, что обеспечивает равномерное распределение по тележкам поперечных горизонтальных сил, передаваемых на тележки от кузова. Наконец, предложенное устройство допускает три варианта размещения его элементов по высоте: a) весь механизм поперечной горизонтальной связи тележек с кузовом расположен над тележками; б) штанги связей крайних тележек с кузовом расположены под тележками, а средней тележки над ней; в) штанги связей крайних тележек с кузовом расположены над тележками, а средней тележки под ней.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого технического решения и прототипа показывает: предложенное устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки транспортного средства с тремя тележками и жестким кузовом отличается тем, что балансирование указанных сил достигается применением продольного торсионного вала, установленного на кузове в подшипниках и несущего неподвижно закрепленные на нем вертикальные рычаги, шарнирно связанные с тележками поперечными горизонтальными штангами, т.е. пространственного механизма; при этом главным объединяющим конструктивным элементом указанного механизма является продольный торсионный вал. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими, кроме прототипа, известными техническими решениями в данной области, показывает, что признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, в известных технических решениях (в частности, в аналоге) отсутствуют. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

В предлагаемом устройстве для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки транспортного средства с тремя тележками и жестким кузовом применен узел балансированной связи тележек с кузовом, выполненный в виде продольного торсионного вала, установленного на кузове в подшипниках и несущего вертикальные рычаги, неподвижно закрепленные на указанном валу в поперечных плоскостях, проходящих через центры тележек, направленные у крайних и средней тележек в противоположные стороны и шарнирно связанные с тележками поперечными горизонтальными штангами. Возможность выполнения этих штанг упругими на сжатие-растяжение или упругим на кручение торсионного вала обусловливает возможность получения общей упругости поперечной связи кузова с ходовой частью транспортного средства системой тележек. Кроме этого в предлагаемом устройстве соотношение плеч рычагов в связях торсионного вала с тележками в пределах конструктивных ограничений может быть практически любым. Этим автоматически обеспечивается при любых относительных смещениях кузова и тележек заданное распределение между ними поперечной горизонтальной силы, передаваемой от кузова.

Указанными особенностями кинематики предложенного устройства определяется возможность достижения главной цели изобретения обеспечения устойчивости кузова транспортного средства, состоящего из жесткого кузова и ходовой части в виде трех тележек, при движении как в прямых, так и в кривых участках пути.

На фиг.1 изображено предложенное устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на тележки транспортного средства с тремя тележками и жестким кузовом в продольном разрезе по плоскости симметрии экипажа; на фиг.2 то же, в плане; на фиг.3 вариант выполнения узла связи торсионного вала со средней тележкой; на фиг.4 устройство в поперечном разрезе через центр тележки (разрез А-А на фиг.1), вариант расположения узла балансированной поперечной горизонтальной связи тележек с кузовом над тележками; на фиг.5 то же, вариант, в котором штанги поперечной горизонтальной связи с кузовом крайних тележек расположены под тележками, а средней тележки над ней; на фиг.6 устройство с исполнением штанги поперечной горизонтальной связи с кузовом средней тележки в виде стержня, жесткого на растяжение-сжатие, а штанги аналогичной связи крайних тележек в виде упругих на растяжение-сжатие стержней; при этом общая компоновка узла балансированной связи соответствует варианту, показанному на фиг.1, 2 и 4; на фиг.7 в плане кинематические соотношения в предложенном узле балансированной связи тележек с кузовом транспортного средства при его размещении в кривом участке пути; на фиг.8 схема нагружения главного балансирующего узла предложенного устройства при передаче от кузова на тележки поперечной горизонтальной силы или подобной системы сил, направленных в одну сторону; на фиг.9 схема сил, действующих в главном балансирующем узле предлагаемого устройства при колебаниях влияния кузова транспортного средства на тележках.

Устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова 1 на тележки транспортного средства с тремя тележками 2, 3 и 4 представляет собой балансированную систему, главный балансирующий элемент которой выполнен в виде продольно расположенного торсионного вала 5, установленного на кузове 1 в подшипниках 6-9. На валу 5 неподвижно закреплены вертикальные рычаги 10-12, направленные у крайних 2 и 4 и средней 3 тележек в противоположные стороны (например, вниз рычаги 10 и 12 для тележек 2 и 4 и вверх рычаг 11 для тележки 3). Указанные рычаги 10-12 расположены в поперечных плоскостях, проходящих через центры тележек 2-4, и имеют по концам шарниры 13-15, с которыми связаны поперечные горизонтальные штанги 16-18, в свою очередь также закрепленные посредством шарниров 19-21 на тележках 2-4.

Штанги 16-18 могут иметь различное исполнение: быть жесткими, т.е. иметь постоянную длину, либо с изменяемой длиной, т.е. упругими на растяжение-сжатие, что достигается, например, включением в конструкцию штанг 16 и 18 упруго-диссипативных элементов 22 и 23, в которые могут входить и элементы, регулирующие длину штанг 16 и 18. Такие же элементы могут быть включены и в штангу 17. С помощью указанных регулировочных элементов может регулироваться поперечное положение кузова 1 относительно ходовой части транспортного средства системы тележек 2-4.

Торсионный вал 5 также может иметь различное исполнение быть жестким или упругим (податливым) на кручение. В первом случае он конструктивно выполнен в виде тонкостенной трубы достаточно большого диаметра и используется в сочетании с упругими, т.е. имеющими деформируемые элементы штангами (например, 16 и 18 с упругими элементами соответственно 22 и 23) поперечной горизонтальной связи кузова 1 с тележками (например, 2 и 4). При выполнении вала 5 податливым на кручение все указанные штанги 16-18 могут быть жесткими. Возможны также комбинации указанных исполнений.

С целью упрощения монтажа торсионный вал 5 может быть выполнен составным (фиг. 3), например, состоящим из трех частей. При этом средняя часть 24 вала 5, несущая на себе неподвижно закрепленный рычаг 11 для связи торсионного вала 5 со средней тележкой 3, может быть установлена в подшипниках 7 и 8 и связана с двумя упругими частями вала 5 разборными муфтами 25 и 26. Очевидно, что аналогичное исполнение (только с одной муфтой) могут иметь и концевые подшипниковые узлы торсионного вала 5.

Плечи рычагов 10-12, закрепленных на валу 5, ограничены только конструктивно и могут, в частности, иметь соотношение, обеспечивающее заданное распределение поперечной горизонтальной силы, передаваемой от кузова 1 на тележки 2-4.

Вертикальное номинальное положение рычагов 10-12 обусловливает размещение штанг 16-18 в разных горизонтальных плоскостях. Это позволяет при оптимальной по конструктивным соображениям длине указанных рычагов иметь различные по размещению на транспортном средстве исполнения предлагаемого устройства балансирной поперечной горизонтальной связи кузова 1 с тележками 2-4: a) размещение этого узла целиком над тележками (фиг.4); б) размещение его в охват рам тележек, при котором, например, штанги 16 и 18 поперечной горизонтальной связи кузова 1 с тележками 2 и 4 расположены под рамами этих тележек, а штанга 17 средней тележки 3 над ней (фиг.5). Возможна также и обратная комбинация, при которой штанги 16 и 18 поперечной горизонтальной связи кузова 1 с крайними тележками 2 и 4 расположены над этими тележками, а аналогичная штанга 17 средней тележки 3 под ней; такое исполнение может оказаться необходимым, например, для электровозов переменного тока с главным трансформатором, расположенным в центре кузова 1 над средней тележкой 3.

Работает устройство следующим образом.

При положении транспортного средства на прямом участке пути центры всех его тележек и соответственно шарниры 19-21 связанных с тележками 2-4 поперечных горизонтальных штанг 16-18 расположены в продольной плоскости симметрии кузова 1. Рычаги 10-12 стоят вертикально.

Движение в кривых требует поперечного горизонтального смещения в_о тележек относительно друг друга и, в частности, одинаковое смещение в_к относительно кузова 1 обеих крайних тележек 2 и 4 в сторону, противоположную аналогичному смещению в_c средней тележки 3 (фиг.7): в_о= в_к+ в_с= R- (1) где R радиус кривой, L продольная полубаза кузова транспортного средства.

Эти условия в предлагаемом устройстве выполняются за счет того, что рычаги 10 и 12, неподвижно закрепленные на концах торсионного вала 5 и предназначенные для связи кузова 1 с крайними тележками 2 и 4, и рычаг 11, закрепленный в средней части вала 5 и предназначенный для связи кузова 1 со средней тележкой 3, направлены в противоположные стороны (например, на крайних тележках вниз, на средней вверх). Благодаря этому при повороте вала 5 в подшипниках 6-9 шарниры 13 и 15 на рычагах 10 и 12 сместятся в поперечном горизонтальном направлении относительно кузова 1 в сторону, противоположную аналогичному смещению шарнира 14 рычага 11. Соответственно получают поперечные горизонтальные смещения относительно кузова 1 крайние 2 и 4 и средняя 3 тележки транспортного средства. При этом указанные смещения пропорциональны длинам а_к и а_с соответствующих рычагов 10 и 12 для крайних тележек 2 и 4, рычага 11 для средней тележки 3 (фиг.8).

Силовое взаимодействие кузова и системы трех тележек транспортного средства в поперечном горизонтальном направлении при применении предложенного устройства узла балансирной связи рассмотрим для двух основных случаев: а) при передаче поперечных горизонтальных сил; б) при передаче момента в плане, возникающего, в частности, при горизонтальных колебаниях наиболее опасного вида влиянии кузова на тележках; при этом в обоих случаях, как и прежде, будем рассматривать симметричные схемы.

Главный элемент узла балансирной связи в предлагаемом устройстве продольный торсионный вал 5 в соответствии с особенностями кинематической схемы устройства может быть нагружен двумя системами внешних сил: а) поперечными горизонтальными силами Т_к, действующими на шарниры 13 и 15 рычагов 10 и 12 со стороны крайних тележек 2 и 4, и силой Т_с, действующей на шарнир 14 рычага 11 со стороны средней тележки 3; б) соответствующими реакциями Р_к в подшипниках 6 и 9, установленных на концах торсионного вала 5, и лежащей в поперечной плоскости действия силы Т_с реакцией Р_с в среднем подшипниковом узле (пара симметрично относительно рычага 11 установленных подшипников 7 и 8, поддерживающих вал 5 в месте крепления к нему среднего рычага 11).

При передаче между кузовом 1 и системой тележек 2-4 поперечных горизонтальных сил (см. первый основной случай) действующие на концы рычагов 10 и 12 в шарнирах 13 и 15 силы Т_к стремятся вращать торсионный вал 5 в сторону, противоположную той, в которую стремится его вращать сила Т, действующая на конец рычага 11 в шарнире 14 (фиг.8). Равновесие вала 5 с учетом реакций Р_к и Р_с определяется уравнением моментов 2 Т_к а_к Т_с а_с (2) и уравнением проекций 2 Т_к + Т_с 2Р_к + Р_с, (3) т.е. поперечные горизонтальные силы Т_к и Т_с, приложенные к тележкам 2-4, в сумме составляют общую силу, передаваемую от тележек на кузов 1 в виде суммы сил Р_к и Р_с в подшипниках 6-9 торсионного вала 5. Тем самым осуществляется поперечная горизонтальная силовая связь между кузовом 1 и системой тележек 2-4 трехтележечного транспортного средства независимо от относительного поперечного горизонтального сдвига тележек. При этом, как следует из уравнения (2), указанные силы распределяются по тележкам в соответствии с соотношением плеч рычагов 10 (12) и 11. В частности, такие силы будут одинаковыми, если плечо рычага 11 будет вдвое больше плеч рычагов 10 и 12, т.е. Т_к Т_с при а_к0,5 а_с.

При передаче между кузовом 1 и системой тележек 2-4 момента в плане (второй основной случай) пара сил, необходимая для стабилизации кузова на тележках, возникает только в виде пары противоположно направленных поперечных горизонтальных сил Т_кв, действующих на крайние тележки 2 и 4, что порождает соответствующую пару сил Р_кв реакций в подшипниках 6 и 9 торсионного вала 5 (фиг.9). Эта пара сил создает момент М_в 2 Р_кв L, (4) стабилизирующий кузов 1 на системе тележек 2-4 транспортного средства при возникновении влияния кузова.

Торсионный вал 5 в этом случае нагружен по всей длине 2L постоянным моментом Р_кв а_к, а вся система связи вала со средней тележкой 3 не нагружена, т. е. момент М_в, стабилизирующий кузов 1 при его колебаниях виляния на тележках, создается на наибольшем из возможных плече 2L, чем и определяется наименьшее значение нагружающих экипаж динамических сил Р_кв либо, при их ограниченном значении наибольший стабилизирующий момент М_в.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПОПЕРЕЧНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ ОТ КУЗОВА НА ТЕЛЕЖКИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА с тремя тележками и жестким кузовом, содержащее узел балансированной связи тележек с кузовом в горизонтальной плоскости, отличающееся тем, что узел балансирной связи включает в себя установленный в подшипниковых опорах кузова продольный торсионный вал, несущий по концам и в средней части обращенные в противоположные стороны вертикальные рычаги, посредством поперечных горизонтальных штанг шарнирно соединенные с тележками.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные горизонтальные штанги крайних тележек выполнены упругими
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечные штанги выполнены жесткими, а торсионный вал упругим на кручение.

4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что торсионный вал выполнен составным.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что длина плеча рычага, связывающего торсионный вал со средней тележкой, вдвое больше длины плеч рычагов, связывающих торсионный вал с крайними тележками.

6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что штанги поперечных горизонтальных связей крайних тележек с кузовом расположены под тележками, а средней тележки над ней.

7. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что штанги поперечных горизонтальных связей крайних тележек с кузовом расположены над тележками, а средний тележки под ней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9