Крестовина

 

Изобретение к железнодорожному транспорту, конкретно к соединениям и пересечениям железнодорожных путей. Содержит сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков. При этом ширина желоба определяется из математического выражения: C = t+(B_max-B_min)+δ_н+δ_в, где : C - ширина желоба; t - толщина реборды колеса; B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава; B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава; δ_н - минимально допустимый зазор между боковыми наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба; δ_в - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения: где K - ширина рабочей части усовика; H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса; E - модуль продольной упругости стали; [σ] - допустимое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной; d - ширина конусного в вплане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника. Направлено на обеспечение пропуска по крестовине колес с разными размерами бандажей. 3 ил.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а более конкретно к соединениям и пересечениям железнодорожных путей.

Из уровня техники в данной области известна крестовина, содержащая сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противоположных усовиков, а в месте их слияния перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков [1].

К недостаткам известной крестовины можно отнести то, что она предназначена для пропуска колес только с одинаковой шириной бандажа, что существенно ограничивает область ее применения.

Технический результата, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении области применения крестовины путем обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей.

Указанный технический результат достигается тем, что в крестовине, содержащей сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков, для обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей, в месте колеса на сердечник (сечение А-А) ширина желоба определяется из математического выражения.

C = t + (B_max-B_min) + δ_н + δ_в , (1) где C - ширина желоба, мм; B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм; B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм; δ_н - минимально допустимый зазор между боковым наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба, в мм; δ_в - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, в мм; а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения: где K - ширина рабочей части усовика, мм;
H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса, Н/мм;
E - модуль продольной упругости стали, МПа;
[σ] - допускаемое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной, МПа;
d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса ("практического центра") на острие сердечника, мм.

На фиг. 1 показана крестовина, план; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1 в "практическом центре" крестовины; на фиг. 3 - сечение B-B на фиг. 1 в начале горловины крестовины.

Крестовина содержит конусный в плане сердечник 1, два усовика 2, выполненных с отбойными ребордами 3 на их наружных сторонах, и два равных желоба 4, образованных в месте 5 расположения сердечника 1 ("практическом центре") его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков 2, а в месте их слияния перед сердечником - горловине 6 - боковыми стенками противолежащих усовиков 2.

На фиг. 2 показаны профили двух колес: с минимальной B_min и максимальной B_max шириной бандажа. Оба колеса прижаты к отбойной реборде 3. Наружные боковые плоскости 7 совпадают и поэтому показаны одной линией. С противоположной стороны боковая плоскость 8 колеса с минимальной B_min шириной бандажа показана сплошной линией, а с максимальной B_max шириной бандажа боковая плоскость 9 - пунктирной линией. На фиг.2 видно, что наличие отбойной реборды 3 создает опасность заклинивания колеса с максимальной шириной B_max бандажа между боковой рабочей стенкой 10 усовика 2 и рабочей стенкой 11 реборды 3. Чтобы избежать этого, расстояние между рабочими стенками 10 и 11 должно превышать размер самой широкой реборды колеса с максимальной шириной бандажа B_max на величину конструктивного зазора δ_н :
l_y = B_max + δ_н. (3)
С другой стороны, само назначение отбойной реборды 3 заключается в том, чтобы даже при проходе колеса с минимальной шириной бандажа B_min предотвратить возможность удара реборды колеса в боковую стенку сердечника 1. Для этого расстояние l_c между рабочими стенками сердечника 1 и реборды 3 должно обеспечить некоторый зазор δ_в между ребордой колеса и сердечником, т.е.:
l_c = B_min- t - δ_в , (4)
где t - толщина реборды колеса.

Согласно указанным условиям минимальная ширина C желоба в рассмотренном сечении А-А должна быть равна:
C = l_y - l_c, (5)
а максимальная ширина рабочей части усовика K_max, т.е. максимально допустимое расстояние от боковой рабочей стенки усовика 2 до рабочей боковой стенки 11 отбойной реборды должно быть равно:
K_max = l_c - d - C, (6)
где d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника ("практического центра").

Подставив (3) и (4) в (5), приходим к математическому выражению (1). После подставки (4) в (6) получаем:

Минимальное значение ширины рабочей части усовика 2 определяется из условия прочности материала колеса в месте их контакта:
[σ] ≥ σ_max (8)
где [σ] - допускаемое контактное напряжение;
σ_max - максимальное контактное напряжение по линии контакта колеса с крестовиной:

(см. Н.М.Беляев. Сопротивление материалов. Гостехиздат, 1951 г, гл. IX, 46, c. 155).

где P - вертикальная нагрузка от колеса на крестовину;
D - диаметр колеса по поверхности катания;
E - модуль продольной упругости стали;
L - длина линии контакта колеса с крестовиной.

Максимальные контактные напряжения возникают тогда, когда длина линии контакта минимальна. Это соответствует положению колеса перед входом в желоб крестовины, когда еще не опирается на сердечник, а вся нагрузка передается только на усовик, как это показано на фиг.3.

Причем, если колесо имеет минимальную ширину бандажа B_min и идет по крестовине, прижавшись ребордой к рабочей стенке 10 усовика 2, то линия контакта l короче расстояния K между стенками усовика 2 и отбойной реборды 3:
l = K - (B_max - B_min) + δ_н , (11)
Подставив в (11) в условие прочности (10), получаем:

После решения неравенства (12) относительно K получаем:

где H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса.

Объединив (7) и (13) в общее неравенство, получаем выражение (2). Чтобы обеспечить нормальную работу крестовины при ее эксплуатации, конструктивные зазоры δ_н и δ_в должны назначаться с учетом размеров забега реборд колес, допусков на изготовление и обработку колес и крестовин, а также норм их износа.

Крестовина работает следующим образом.

Как показано на фиг.1 колесо катится по одному из направлений крестовины в сторону, указанную стрелкой. Оно проходит сечение B-B горла крестовины, т. к. в этом сечении ширина горла принята с учетом требований выражения (1), и попадает в пределы "вредного пространства", где его достижение направляется боковыми стенками, с одной стороны усовика 2, а с другой - отбойной реборды 3. В сечении A-A (практического центра) оно вступает во взаимодействие с сердечником 1. Здесь также выполняются требования соотношения (2), обеспечивающие минимально необходимую ширину K рабочей части усовика, т.е. площади контакта колеса с усовиком, и величину зазоров δ_н и δ_в с одной стороны, предотвращающих удары реборды колеса в боковую стенку сердечника, с другой, исключающих заклинивание колеса между усовиком 2 и отбойной ребордой 3 в сечении A-A, где K является минимальной.

Таким образом, обеспечивается попадание колеса в противолежащий желоб и гарантируется для заданного диапазона ширины бандажа проход колеса по крестовине без бокового смятия сердечника в самом тонком его сечении A-A. Из выражений (1) и (2) видно, что чем больше диапазон (B_max-B_min), тем шире должны быть желобы, тем меньше ширина рабочей части K усовика контакта колеса с усовиком. Как показали расчеты, существует область соотношений параметров колес и крестовин, в пределах которой крестовины работают также надежно как и их аналоги, предназначенные для пропуска колес только одного размера бандажей. Она охватывает почти весь парк отечественного подвижного состава промышленных железных дорог, что позволяет применить крестовины, не требующие ограждения контррельсами.

Формула изобретения

Крестовина, содержащая сердечник, усовики, выполненные с отбойными ребордами на их наружных сторонах, и два равных желоба, образованных в месте расположения сердечника его боковыми стенками и боковыми стенками противолежащих усовиков, а в месте слияния желобов перед сердечником - горловине - боковыми стенками противолежащих усовиков, отличающаяся тем, что для обеспечения пропуска по ней колес с разными размерами бандажей, в месте наката колеса на сердечник ширина желоба определяется из математического выражения
C = t + (B_max-B_min) + δ_н + δ_в ,
где С - ширина желоба, мм;
t - толщина реборды колеса, м;
B_max - максимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
B_min - минимальная ширина бандажа колеса подвижного состава, мм;
δ_н - - минимально допустимый зазор между боковым наружным кантом реборды колеса и стенкой желоба, мм;
δ_в - - минимально допустимый зазор между боковым внутренним кантом реборды колеса и стенкой желоба, мм,
а ширина рабочей части усовика определяется из соотношения

где K - ширина рабочей части усовика, мм;
H - максимальное отношение вертикальной нагрузки от колеса на крестовину к диаметру колеса, H/мм;
E - модуль продольной упругости стали, МПа;
[σ] - - допускаемое контактное напряжение при взаимодействии колес с крестовиной, МПа;
d - ширина конусного в плане сердечника в месте наката колеса на острие сердечника, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3