Способ демпфирования вагонов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Устройство для демпфирования вагонов, согласно изобретению, снабжено пневмоцилиндрами с подвижными осями в вертикальной плоскости с установленными на них свободно вращающимися колесами в горизонтальной плоскости и жестко связанными с ними роликами, вращающимися в вертикальной плоскости, выполненными с возможностью вертикального подъема, опускания и качания на валах в поперечном направлении, которые соединены через валы с маятниковыми рычагами. В результате уменьшается износ рельсов и колесных пар, повышается безопасность движения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к конструкции вагонов, в частности, к разработке средств улучшения динамики их движения, служит, для уменьшения усилий взаимодействия гребня колеса и боковой поверхности головки рельса, уменьшения интенсивности износа, замены силы трения скольжения на трение качения, для рекуперации энергии рыскания вагонов, а также для уменьшения перекоса колесных пар, интенсивности ударов колеса о рельс, сходов, снижения частоты возмущений от неровностей пути, боковой качки и других негативных эффектов. Кроме того может быть использовано для устранения износа в кривых карьерах горн обогатительных комбинатов.

Известно устройство для демпфирования ходовой части поворотной тележки включающее вертикальное и горизонтальное демпфирование, скользуны и ролики, недостатком которого является низкая эффективность защиты от износа пары колесо-рельс, к которому добавляется износ всех элементов подвески в процессе демпфирования.

Снижение динамических нагрузок на кузов и гасители колебаний не обеспечивает эффективного демпфирования из-за переменности как параметров демпфирования, так и колебаний возмущающих частот, износа рельсов в виде «синусоиды», случайных неровностей, особенностей конструкции и загрузки вагонов, характеристики пути, скорости, радиусов кривизны и др. Общим недостатком большинства средств является использование фрикционного демпфирования, при котором увеличивается давление гребней на рельсы при входе и выходе в кривые пути, между ползунами и роликами создаются большие силы трения, являющиеся причинами износа деталей подвески. Демпфирование начинается при наличии возмущающих факторов с момента ударных нагрузок о рельс, отскока колесных пар, появления инерционных сил и ускорений, то есть является средством устранения последствий неблагоприятной динамики движения вагона, и никак не способствует устранению самих причин износа, способствуя переносу его с рельсов и колесных пар на элементы подвески ходовой части [1].

Другим недостатком является отсутствие возможности радикального устранения интенсивного износа от поперечных сил, вызванных вилянием, центробежными силами при прохождении кривых участков пути, высокий динамический фон, амплитуда, рост циклических напряжений, поперечные микросдвиги металла в пятне контакта колесо-рельс, устранить которые невозможно модернизацией отдельных узлов. Недооценка негативных факторов, постоянно растущих в связи с интенсификацией эксплуатации подвижного состава, ростом скоростей, нагрузок на ось, создали необходимость разработки кардинальных комплексных, конструктивных и технологических решений. Рельсы являются источником возмущений и сил, передаваемых через гребни колесных пар на корпус вагона. Наличие зазора в колее, износа гребней и рельсов, деформации всех элементов подвески и пути вследствие ударов способствуют значительному росту нагрузок, амплитуды, частоты вынужденных колебаний и отклонениям оси вагона от оси рельсового пути.

Разработанные технологические меры снижения интенсивности износа такие, как лубрикация, плазменное упрочнение, являются также средствами борьбы с последствиями износа, а не его устранения. Более того в процессе многолетней эксплуатации они создали предпосылки интенсивного износа и усталостного выкрашивания рельсов. Ежегодные затраты на восстановление работоспособности колесных пар подвижного состава в ОАО РЖД составляют порядка 30 миллиардов рублей, не меньше расходуется на обслуживание, замену и восстановление рельсового пути.

Другим общим недостатком является демпфирование поперечных возмущений корпуса вагона относительно колесных пар, а не рельсов, что не позволяет радикально уменьшить износ, силы трения и удара и другие негативные последствия. Эффект от демпфирования составляет всего 6-15%, что едва окупает затраты на модернизацию вагонного парка и обслуживание в процессе эксплуатации [2]. Скрытыми последствиями раздельного демпфирования является с высокой степенью вероятности, возможность совпадения частот колебаний в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В этом случае - суммарный вектор горизонтальных и вертикальных возмущений будет равен их геометрической сумме: , где Fг - горизонтальная составляющая возмущающей силы; Fв - вертикальная составляющая. В результате помимо эффектов резонансного характера значительно увеличивается давление в сопряжении колеса с рельсом, что вызывает более интенсивный износ в виде «синусоиды», «модуля синуса» и других отклонений.

Известен способ экстренного торможения и устройство для его осуществления [3] с опусканием на рельсы и подъемом тормозных башмаков, устройство содержит пневмомагистраль от локомотива до последнего вагона, механизмы для подъема и опускания башмаков, устройство для создания алгоритма выполнения определенной последовательности операций. Недостатком способа является длительность подачи команд в определенной последовательности, что при необходимости экстренного торможения вызывает необходимость дополнительных коммуникаций, необходимость промежутка времени на выполнение операции, на срабатывания системы и длительность устранения последствий от ее применения, что на долгое время парализует магистраль для движения.

Наиболее близким по сути техническим решением является подавитель виляния тележек грузовых вагонов [4], принятый за прототип который содержит средства регулируемого контроля поперечного отклонения, средства подавления виляния, дополнительные колеса, опирающиеся на рельс, раздвижные пружины, шарнирно соединенную систему рычагов, пневматические амортизаторы, колесные пары, корпус вагона, тележки, цилиндры с поршнями, толкатели, рычажную систему.

Недостатком является неоправданная сложность конструкции из-за установки жестких рам с колесами, опирающимися на рельсы параллельно с основными, не устраняющих нагрузок, действующих на гребень и боковую поверхность рельсов, несущих только нагрузку от веса собственной конструкции из-за больших габаритов и металлоемкости. Наличие большого количества подвижных сочленений, имеющих зазоры, которые при больших ударных динамических нагрузках и частотах, исчисляемых десятыми долями секунды, являются источником быстрого выхода сочленений из строя и потери стабильности демпфирующих свойств. Износ с колесных пар и рельсов перемещен на усиленный износ всех сочленений устройства.

Цель изобретения: уменьшение поперечных сил, действующих на гребни колесных пар и боковую поверхность головки рельсов и их износа, создание постоянных усилий, противодействующих внешним, уменьшение центробежных сил при прохождении кривых участков пути вплоть до их полного устранения, замена трения скольжения между гребнем колеса и головкой рельсов на трение качения, рекуперация энергии поперечных возмущений, дистанционное, автоматическое управление демпфированием в зависимости от скорости, загрузки вагонов, радиуса кривизны пути, уменьшения моментов, разворачивающих колесные пары, вероятности сходов, остроконечного наката и других факторов.

Указанная цель реализации способа достигается тем, что в опорах на днище корпуса параллельно продольной оси вагона устанавливают валы с обеих сторон у обоих торцов вблизи к колесным парам, на которых вертикально на шпонках размещают пневмоцилиндры с подвижными осями на штоках, колесами и жестко связанными с ними роликами, при этом ролики свободно вращают в плоскости колесных пар, опускают их до упора на поверхность катания рельсов, обеспечивают тем самым положение оси колес на уровне оси головки рельсов, которые свободно вращают в горизонтальной плоскости или под углом к горизонтали до 60 градусов при прижатии к боковой поверхности рельсов с внутренней, наружной или с обеих сторон, обеспечивают при этом постоянный контакт, а поперечные усилия, возникающие в колее, и поперечные перемещения оси вагона относительно оси рельсового пути копируют колесами, передают их через подвижные оси, на пневмоцилиндрах и валы, качающиеся в опорах, на верхние точки маятниковых рычагов, которые устанавливают в торцевой плоскости вагона, на шпонках с другой стороны валов, при этом уменьшают поперечные усилия в верхних точках, увеличивают скорость и величину относительного перемещения осей вагона и пути, возникающих в колее при движении соответственно на передаточное число U от 2 до 10, где U равно отношению длин плеч рычагов L/H, где L - длина маятникового рычага от оси вала до верхней точки, Н - расстояние от оси вала до оси головки рельсов и колеса, а маятниковые рычаги соединяют шарнирно с штоками поршней сдвоенного поршневого компрессора, с траверсой с пружинами, полыми штоками поршней сдвоенного пневмоцилиндра и штоками золотниковых распределителей, которые автоматически подают давление из ресивера в соответствующие полости сдвоенного пневмоцилиндра при предельных нагрузках, угловых перемещениях и деформации маятниковых рычагов, создают на штоках соответствующих поршней дополнительно поперечные силы, противодействующие внешним, которые передают обратно через маятниковые рычаги и валы в опорах корпуса на колеса подвижных осей и на рельсы, увеличивают их при этом на передаточное число U, вычитают из действующих усилий в сопряжении гребня колесной пары с рельсом, заменяют трение скольжения на трение качения, уменьшают сопротивление движению от сил трения в 5-10 раз, демпфируют поперечные колебания, уменьшают действие центробежных сил, амплитуду, скорость, ускорение, кинетическую энергию удара о рельсы вплоть до полного их устранения, рекуперируют энергию поперечных возмущений в давление воздуха в полостях поршневых компрессоров, который закачивают в ресивер и используют для управления автоматикой, а демпфирующими свойствами вагонов состава управляют в зависимости от скорости движения, транспортируемой массы, состояния пути и радиуса кривизны давлением в пневмомагистрали через редукционный клапан, которым управляют с пульта машиниста в процессе движения.

Способ по п. 2, отличающийся тем, что вертикальное демпфирование колебаний осуществляют через пневмоцилиндры с подвижными осями, которые опускают на штоках до упора роликов на поверхность катания рельсов, а при ходе вагона вниз в процессе колебаний параллельно усилиям пружин возврата создают давление воздуха над поршнем и под ним при неподвижном штоке, действующее на некомпенсированную площадь пневмоцилиндра, а при ходе в верх стравливают давление над и под поршнем, при этом обе полости соединяют между собой через редукционный клапан, поддерживающий требуемый перепад, которым обеспечивают гарантированное прижатие роликов к рельсам, а излишки давления сбрасывают во всасывающую магистраль пневмоцилиндров сдвоенного компрессора, сдвоенного пневмоцилиндра и золотниковых распределителей.

Способ по п. 3, отличающийся тем, что с целью устранения вероятности резонансного совпадения периодов и частот возмущающих сил действующих в вертикальной и горизонтальной плоскости, и их геометрического сложения, дополнительно управляют диапазоном подачи, заполнения, выдержки и дренажа давления воздуха которое падают через золотниковые распределители в соответствующие полости сдвоенного пневмоцилиндра электроклапанами по сигналам датчиков частоты вертикальных и горизонтальных колебаний кузова через блок программного управления, исключают совпадение экстремальных значений периодов и частот.

Устройство для осуществления способа, отличающееся тем, что с целью аварийного и периодического подъема и опускания колес, расположенных на подвижных осях, пневмоцилиндры снабжены пружинами, возврата в исходное положение.

Устройство по п. 2, отличающееся тем, что с целью предотвращения износа колесных пар и рельсов, замены трения скольжения между рельсом и гребнем на трение качения, уменьшения сил сопротивления движению, поперечных сил, сил инерции, центробежных сил и других возмущающих факторов устройство снабжено пневмоцилиндрами с подвижными осями в вертикальной плоскости с установленными на них свободно вращающимися колесами в горизонтальной плоскости и жестко связанными с ними роликами, вращающимися в вертикальной плоскости, выполненными с возможностью вертикального подъема, опускания и качания на валах в поперечном направлении, которые соединены через валы с маятниковыми рычагами.

Устройство по п. 3, отличающееся тем, что для передачи поперечных усилий и относительного перемещения оси вагона и рельсового пути при движении независимо от колебаний размеров колей, величины боковых отклонений, износа бандажей и рельсов, обеспечения постоянного контакта колес подвижных осей с головкой рельсов устройство снабжено траверсой с размещенными на ней свободно перемещающимися вдоль полыми штоками поршней сдвоенного пневмоцилиндра, шарнирно соединенными с маятниковыми рычагами через навинченные резьбовые сферические вставки, стягиваемые между собой до упора колес в рельсы пружинами, установленными в резьбовых стаканах на торцах траверсы.

Устройство по п. 4, отличающееся тем, что для повышения точности передачи перемещений и управления отклонениями оси вагона от оси рельсового пути, для преобразования усилий, действующих со стороны рельсов на гребни колесных пар и, наоборот, со стороны вагона на рельсы устройство снабжено маятниковыми рычагами в виде плоских пружин изгиба и пневмоцилиндрами с подвижными осями, посаженными на валах, выполненных в виде единого жесткого рычага, связанного с корпусом вагона через валы, установленные в опорах, а роль второй опоры выполняют колеса при выдвижении штоков с подвижными осями, упирающиеся в боковую поверхность головки рельсов.

Устройство по п. 5, отличающееся тем, что снабжено третьей упругой опорой передающей усилие от давления воздуха, действующее на поршни полых штоков сдвоенного пневмоцилиндра на маятниковые рычаги, вызывая их упругую деформацию, противодействующую пропорционально поперечным усилиям, смещающим ось вагона от оси рельсового пути.

Устройство по п. 6, отличающееся тем, что с целью компенсации вертикальных и угловых перемещений корпуса поршневого компрессора, сдвоенного пневмоцилиндра, возникающих при качании маятниковых рычагов, они шарнирно-подвижно соединены поступательной парой с корпусом вагона и шарнирно со штоками маятниковых рычагов и траверсой..

Устройство по п. 7 с целью создания дополнительных усилий, противодействущих внешним, и передачи их обратно на колеса подвижных осей с увеличением на передаточное число U и вычитанием из сопряжения гребня с рельсом в автоматическом режиме, устройство снабжено золотниковыми распределителями, шарнирно соединенными с маятниковыми рычагами и корпусом, открывающими при деформации и угловых отклонениях маятниковых рычагов соответствующие полости подачи давления в сдвоенные пневмоцилиндры.

Устройство по п. 8, отличающееся тем, что с целью расширения возможностей регулирования демпфирующих усилий противодействующих внешним, действующим между гребнями колесных пар и рельсами в зависимости от скорости движения, загрузки вагона, состояния пути и радиуса кривизны, устройство снабжено редукционным клапаном, установленным на пневмомагистрали подачи давления в ресиверы вагонов, регулируемым с пульта машиниста по ходу движения.

Разработанная совокупность технологических приемов и конструктивных решений осуществления способа позволяет минимизировать износ рельсов и колесных пар с заменой силы трения скольжения на трение качения, уменьшить сопротивление движению от сил трения до 30%, уменьшить усилия рыскания и центробежные силы действующие в кривых участках вплоть до их полного устранения. Кроме того применение предлагаемого способа и устройства в комплексе с технологическими решениями позволит уйти от катастрофического износа схватыванием, возникающим при больших удельных давлениях одноименных материалов колеса и рельсов, химический состав которых отличается на сотые доли процента.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства для осуществления способа, на котором показаны основные элементы конструкции.

На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

На фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.

На фиг. 4 показана схема положений звеньев устройства и кинематических пар в исходном состоянии.

На фиг. 5 - положение звеньев устройства при подготовке рычажной системы в рабочее положение.

На фиг. 6 - положение звеньев в рабочем состоянии и при движении на прямолинейных участках пути при удовлетворительном состоянии рельсов и колесных пар.

На фиг. 7 - положение звеньев с минимальным усилием прижатия и максимальным быстродействием, не требующих времени на заполнение пневмоцилиндров воздухом.

На фиг. 8 показано положение звеньев при правом повороте, отклонение вагона по стрелке Г.

На фиг 9 - при левом повороте, стрелка Г.

На фиг 10 - схема положения кинематических пар в деформированном состоянии маятниковых рычагов.

На фиг. 11 приведена расчетная схема сил.

На фиг. 12 показано положение звеньев и пневмосхема в нейтральном положении вагона относительно оси пути.

На фиг. 13 - положение звеньев и пневмосхема при правом повороте с отклонением вагона по стрелке Г с прижимом к наружному рельсу (обозначен буквой Н),

На фиг. 9, 14 - при левом повороте, отклонении вагона по стрелке Г.

На фиг. 15 - вид Д (фиг. 3) представлен вариант установки на подвижной оси нескольких колес.

Устройство состоит из корпуса вагона 1 (фиг. 1) с установленными на нем с обеих сторон у торцев опорами 2 и качающимися в них валами 3, на которых посажены пневмоцилиндры 4 (фиг. 3) с штоками 5 и пружинами 6, замкнутыми гайкой 7. На корпус пневмоцилиндра 4 посажена на шпонке 8 подвижная ось 9 с установленным на подшипнике 10 колесом 11 и роликом 12, касающимся рельса 13, при выдвинутом штоке 5. Подвижная ось 9 зафиксирована на штоке 5 в осевом направлении гайками 14. В отверстии, заглушенном винтом 15, установлен датчик 16, сигнализирующий возврат штока 5 в исходное положение под действием пружин 6.

На другом конце вала 3 (фиг. 1) на шпонках на передней и задней по ходу вагона 1 торцевых стенках с обеих боковых сторон корпуса установлены маятниковые рычаги (MP) 17 (фиг. 1, 2), шарнирно соединенные со штоками поршневого компрессоров (ПК) 18, траверсой 19 через резьбовые сферические вставки 20, в которые ввинчены полые штоки поршней 21, свободно перемещающиеся по траверсе 19, стягиваемые пружинами 30, 31 до упора колес 11 в рельсы. Пружины установлены в резьбовых стаканах 28 с возможностью регулирования их натяжения. Траверса и полые штоки 21 размещены в сдвоенном пневмоцилиндре (СПЦ) 22.

Корпуса СПЦ 22 и ПК 18 соединены с корпусом вагона 1 поступательными парами 23 с возможностью перемещения в вертикальном направлении и поворотом относительно продольной оси, предотвращающими заклинивание штоков при качании маятниковых рычагов (фиг. 1, 2). В средней части к MP 17 шарнирно присоединены золотниковые распределители 24, 27 с возможностью переустановки по высоте при регулировке.

Устройство снабжено упорами с конечными переключателями ДУ-1, ДУ-2 (фиг. 2, 12), датчиками движения Д-1, Д-2, вибродатчиками ДЧ-1, ДЧ-2, ДЧ-3, ДЧ-4, ресивером 29, клапанами с электромагнитным управлением ЭК-1, ЭК-2, ЭК-3, редукционными клапанами ЭК-4, ЭК-5, ЭК-6, ЭК-7, блоком программного управления (БПУ), источником аварийного питания (ИП).

Посредством устройства способ осуществляется следующим образом. В состоянии покоя положение всех элементов, звеньев и кинематических пар устройства схематично показано на фиг. 4.

Перед началом движения с центрального пульта машинист подает давление в ресивера вагонов 29 всего состава (фиг. 12) через обратный клапан из тормозной или специальной пневмомагистрали. Величина давления в магистрали задается через редукционный клапан ЭК-5, устанавливаемый на пульте машиниста, который регулирует интенсивность демпфирования состава установкой требуемого давления по ходу движения в зависимости от скорости, загрузки вагонов состава, состояния пути и кривизны. Клапан ЭК-6 служит для индивидуальной настройки системы демпфирования вагона при формировании состава в зависимости от его конструкции, состояния ходовой части и загрузки при остальных общих условиях. В исходном положении MP (фиг. 4) отклонены наружу под действием пружин 30, 31 с поднятыми штоками 5 под действием пружин 6.

При движении вагона машинист подает сигнал на включение электропитания редукционного клапана двухстороннего действия ЭК-4 для подачи низкого давления по трубопроводу 2 (далее T_i) в полости Б и С, СПЦ 22. Воздух из полостей А, Д (фиг. 5, 12) стравливается через открытые в обесточенном состоянии клапана ЭК-2, ЭК-3. Штоки поршней 21, преодолевая усилия пружин 30, 31, разворачивают маятниковые рычаги 17 вместе с осями валов 3 и посаженными на них подвижными осями 9 на пневмоцилиндрах 4 (фиг. 3), увеличивая боковой зазор X между колесами 11 и рельсами 13 (фиг. 5). Колеса при этом в рассматриваемом варианте разворачиваются во внутреннюю сторону колеи рельсового пути. Величина бокового перемещения от номинального положения колес колеблется в зависимости от износа рельсов, бандажей и допуска на размер колеи в пределах половины суммарного зазора в колее 15-20 мм.

После этого БПУ по заданной программе подает сигнал на открытие параллельных электроклапанов ЭК-1 для подачи давления в полости Е пневмоцилиндров 4 (фиг. 3, 12, Т1), штока 5 которых, преодолевая усилия пружин 6, опускают подвижные оси с колесами 11 на уровень головки рельсов 13 (наружного диаметра реборды) до упора роликов 12 в поверхность катания. При этом автоматически колеса 11 занимают безопасный уровень контакта с головкой рельсов. В качестве варианта на подвижной оси может быть установлено несколько параллельных колес и роликов (фиг. 15) для уменьшения их диаметральных размеров и гашения ударов при прохождении стыков между рельсами и уменьшения влияния локальной выработки от износа рельсов и бандажей. Датчик 16 размыкает цепь сигнализируя на БПУ о выдвижении штоков в требуемое положение и с БПУ подается сигнал на отключение клапана ЭК-4 (Т2) на стравливание давления в полостях Б, С. Скорость выдвижения подвижных осей с колесами 11 регулируется дросселями 32 (Т1) с некоторым замедлением для удаления воздуха из перечисленных выше полостей и самоустановки колес с прижатием их пружинами 30, 31 к «движущимся» рельсам (фиг. 6). Минимальные усилия прижатия колес и роликов к рельсам, обеспечивающие постоянный контакт, достигается пружинами 30, 31, давлением воздуха и диаметрами поршней полости Е. В случае недостатка давления в ресивере 29 оно поддерживается через обратный клапан 32 из пневмомагистрали. Далее система работает в автоматическом режиме.

В процессе движения отклонения оси вагона 1 от оси рельсового пути отслеживаются угловыми перемещениями вертикальных осей вращающихся колес 11 (на угол α, фиг. 13, 14), передаваемыми через пневмоцилиндры 4 на валы 3, качающиеся в опорах 2 и далее на MP 17, которые посажены на шпонках, копируют, увеличивают и преобразуют угловые отклонения колес в линейные перемещения верхних точек соединения штоков ПК 18, траверсы 19 с штоками 21 СПЦ 22 и золотниковых распределителей 24, 27. Маятниковые рычаги 17 относительно вертикальных осей пневмоцилиндров 4 могут быть установлены под углом за счет тангенциального смещения шпоночных пазов на валах 3. Угол колес 11 к горизонтали может быть установлен до 45 градусов к горизонтали в зависимости от износа рельсов.

При движении на прямолинейных участках при отсутствии аномальных износов и отклонений пути система сохраняет положение, показанное на фиг. 6 и 12. Первый каскад демпфирования колебаний осуществляется за счет рекуперации энергии поперечных возмущений вагона работой всех полостей ПК 18 в режиме успокоителя колебаний. ПК 18 при этом закачивает воздух под давление в ресивер 29 по трубам 2, 5, 6, 7, 8, снабженным обратными клапанами. Линия всасывания 11 в полости СПЦ. 22, ПК 18 и золотниковых распределителей снабжена воздушным фильтром и маслораспылителем, обеспечивающим очистку и впрыскивание смазки.

Частоты поперечных колебаний вагона до 10 гц, высокие скорости перемещения штоков ПК 18, большие хода верхних точек MP, увеличенные на передаточное число рычажной системы U=L/H, позволяют рекуперировать энергию поперечных возмущений в давление воздуха развиваемое ПК, закачиваемое в ресивер не только для демпфирования колебаний, создания противодействующих усилий, питания БПУ, но и на нужды энергоснабжения вагона. Здесь L - длина (MP), Н - расстояние от оси торсионного вала 3 до середины головки рельсов 13 (фиг. 2, 3).

Второй каскад демпфирования начинается при увеличении величины и скорости хода штоков 21 СПЦ 22, что позволяет использовать их для управления мгновенными процессами изменения усилий, протекающими в колее, за счет использования сил инерции массы вагона при отклонениях осей, увеличения периода их повторного действия, уменьшения центробежных сил в кривых участках пути, снижения кинетической энергии ударов вагона о рельс вплоть до их полного устранения.

Ухудшение качества пути и появление больших поперечных усилий и смещений вагона на величину X относительно рельсов (фиг. 8, 13 по стрелке Г влево от центробежных сил например, при правом повороте), вызывают угловое отклонение MP на угол под давлением рельсов 13 на колеса 11. Отклонение показано пунктиром (фиг 10). Датчик движения Д1, упор ДУ1 (фиг. 13) подадут сигнал на БПУ на закрытие дренажа полости А (клапан двухстороннего действия ЭК2). Золотниковый распределитель 24 при этом откроет линию подачи давления в полость А СПЦ 22 (фиг. 8, 10, 13, Т3) - смещение поршней и золотника показано пунктиром, перекроет дренаж Т9 из этой полости. Настройка золотниковых распределителей 24, 27 осуществляется перемещением их по вертикали MP, для чего предусмотрены дополнительные отверстия, (фиг. 2) Усилие Fр от давления в полости А, действующее на шток 21, передается на левый MP (фиг 10, 11, 13), деформирует его на величину У от первоначального отклонения, противодействуя смещению вагона в рассматриваемом направлении.

Усилие от давления на корпус СПЦ 22 - Fрк передается на корпус вагона в поступательной паре, совмещенной с шарниром 23 и далее в точке А (фиг. 11) на маятниковый рычаг, деформирует его, суммируясь с внешними силами, вызывающими отклонение вагона. MP выполняют роль плоской пружины изгиба с заделкой на корпусе вагона 1 в точке А (фиг. 10, 11 ось вала 3, на фиг. 1) с упором на другом конце колеса 11 в рельс 13. MP касается корпуса вагона только в точке А. Все усилия ΣFi от давления в полости А и взаимодействия маятникового рычага с вагоном передаются на рельс через колесо 11, снимая боковую нагрузку с гребней колес и рельсов с левой стороны вагона, заменяя трение скольжения между ребордой и рельсом на трение качения колеса 11 по боковой поверхности головки рельсов 13. Деформация маятникового рычага пропорциональна возмущающим усилиям и является основой чувствительного автоматического регулирования всей рычажной силовой системы.

Предельное смещение оси вагона на величину X влево вызывает отклонение верхней точки левого MP 17 (фиг. 13) до срабатывания датчика движения Д-1 и контактов упора ДУ-1 положение которых регулируется (на эскизах условно не показано) с целью сведения до минимума усилий касания гребней колесных пар и рельсов вплоть до полного устранения. При этом траверса 21, шарнирно связанная с правым MP, сжав левую пружину 30 до упора в резьбовой стакан 28, увлекает за собой правый MP, смещая его на величину У-UX способствуя разгрузке правой пружины 31, стремясь уменьшить зазор правого колеса с рельсом (фиг. 10). Здесь U - передаточное число рычажной системы, Х - величина смещения оси вагона относительно оси рельсового пути. При правильной настройке и удовлетворительном состоянии пути отрыв правого колеса от рельсов исключается.

При смещении вагона в противоположном направлении (фиг. 9, 14) цикл повторяется с колесами противоположной стороны в той же последовательности. Отличие заключается в том, что усилие взаимодействия гребней колес с рельсом будет восприниматься колесами 11 с правой стороны, а давление разгрузки от предельных усилий будет подаваться золотниковым распределителем 27 в полость Д Т3, (смещение золотника показано пунктиром). Датчики Д2, ДУ2 подают сигнал на БПУ и на закрытие дренажа полости Д клапаном ЭКЗ, при этом золотниковый распределитель 27 подаст давление в полость Д, (Т3), закрыв дренаж из этой полости (Т10). Золотниковый распределитель 24 откроет дренаж полости А (Т9). Дополнительная постановка ЭК2, ЭК3 необходима на момент запуска и повышения точности настройки, расширения ее управляемого диапазона и на случай аварийного сброса давления из полостей управления.

Опускание оси колес 11 с роликами 12 (фиг. 3) от нижнего уровня боковин тележек составляет 100-150 мм а вертикальные колебания вагона при движении совместно с корпусом пневмоцилиндра 4 относительно выдвинутой штоком 5 подвижной оси 9 до упора роликов 12 в рельс находятся в пределах ±25 мм. Демпфирование вертикальных колебаний при опускании вагона осуществляется ростом давления в полости К (фиг. 12) под поршнем, действующим на некомпенсированную торцевую площадь пневмоцилиндра 4 (фиг. 3) и в полости Е над поршнем (фиг. 12). При этом пневмоцилиндр 4, жестко связанный с корпусом вагона через валы 3 и опоры 2 (фиг. 1), движется относительно неподвижного штока 5 (фиг. 3), нагнетая давление воздуха в указанных полостях. Шток в выдвинутом положении до упора роликов 12 в рельсы находится в вертикально неподвижном состоянии совместно с подвижной осью 9 и колесами 11. При ходе вагона в верх падение давления в полостях Е, К и сохранение постоянства усилия прижатия роликов к рельсам осуществляется за счет редукционного клапана ЭК7, соединяющего указанные полости с сохранением требуемого перепада давления, излишки которого сбрасываются через обратные клапана в линию всасывания ПК, СПЦ или в ресивер по Т1, Т2, T11.

Расчеты размеров устройства.

Из уравнения моментов относительно т. А (расчетная схема фиг. 10, 11) имеем:

отсюда , из уравнения , откуда

где Fp - сила от давления на поршень штока 21 - равна силе Fрк - от давления на торец СПЦ 22 (фиг. 10, 11), Fин - сила инерции массы вагона, Fцб - центробежная сила в кривых участках пути, Fi - сила давления со стороны рельсов на колесо. При передаточном числе U=2-10 усилия на штоках передаваемые с колес уменьшаются соответственно в 2-10 раз, а при передаче на колеса усилий от давления воздуха, действующие на штока СПЦ 22, наоборот, увеличиваются в 2-10 раз.

Для устранения центробежных сил в кривой R=300 м при скорости 50 км/час и весе вагона 50 т центробежная сила в 4 т передается на два колеса через два маятниковых рычага на два СПЦ по 2 т на каждый при U=4. Требуемый диаметр СПЦ при давлении 6 атм. равен 100 мм, при давлении 10 атм. 80 мм. При передаточных числах 6-8 эти величины уменьшаются пропорционально.

Расчет диаметральных размеров колеса 11 по допускаемым контактным напряжениям при твердости рельсов 250 Нв выполнен по формуле:

, [5]; отсюда

,

где F - нормальное усилие на одно колесо - 2 т., Е - модуль упругости 2×10⁵ МПа, I - длина контактной линии (высота головки рельса 50 мм), [G]Max - максимальное допустимое контактное напряжение в зоне контакта плоской поверхности с цилиндром. Расчетный диаметр колеса 120 мм при [G]Max=430 МПа. При установке трех колес (фиг. 15) диаметр уменьшается до 90 мм.

Минимальная длина поперечного хода штоков СПЦ и ПК от номинального положения S=(15-20) мм × U при U=4, S находится в пределах 60-80 мм, этого достаточно для нагнетания требуемого давления в ресивер, где величина колебаний вагона от оси рельсового пути составляет половину допустимого зазора в колее (15-20) мм.

Расчеты показывают малые габариты силовых элементов демпфирующей системы, ее высокую эффективность и простоту конструкции.

Усилия пружин 30, 31, величина деформации маятниковых рычагов, играющих роль плоских пружин изгиба, площади пневмоцилиндров, величины давлений в ресиверах рассчитываются из условия обеспечения безотрывного касания колеса рельсов и устранения усилий от центробежных сил в кривых. Величина усилий, противодействующих отклонениям вагона, может дополнительно регулироваться величиной давления в ресивере и пневмоцилиндрах с пульта машиниста через редукционный клапан ЭК5 в процессе движения.

Исходя из расчетов жесткости торсионных валов, маятниковых рычагов, давления и площади поршней, можно обеспечить прямолинейное движение вагонов с переводом функции демпфирования на работу в режим обратной связи для управления уровнем поперечных отклонений, уменьшая до минимума боковые касания гребня о рельсы. Автономная система демпфирования каждого вагона регулируется редукционным клапаном ЭК6 на стадии формирования состава в соответствии с паспортными данными вагона. В случае неполадок в системе электроснабжения вагона обесточенные ЭК автоматически стравливают давления из полостей пневмоцилиндров 4 (фиг. 3) за счет пружин возврата, при этом колеса из колеи поднимутся на безопасное расстояние от рельсов, не препятствуя движению и демпфированию остальных вагонов всего состава.

Блок БПУ предусматривает возможность дистанционного управления и отключения электромагнитных клапанов любого вагона отдельно с использованием Д-1, Д-2, ДУ-1, ДУ-2, ЭК-1, ЭК-2, ЭК-3, ЭК-4, ЭК5, ЭК7 с помощью закодированной мобильной связи с пульта машиниста. Датчики частоты ДЧ-1, ДЧ-2, ДЧ-3, ДЧ-4 с клапанами ЭК-2, ЭК-3 осуществляют корректировку периодов и частот горизонтальных и вертикальных колебаний кузова, предусмотренную программой БПУ, исключающих резонансный режим совпадения периодов, частот и геометрическое суммирование векторов возмущающих сил. Корректировка осуществляется дренажными клапанами ЭК-2, ЭК-3 при расширении или сужении периода закрытия, поддержания или стравливания давления воздуха подаваемого через золотниковые распределители 24, 27 в полости СПЦ 22 по команде с БПУ. Дублирование работы автоматики предусмотрено с целью расширения диапазона регулирования и повышения ее надежности в условиях широко меняющихся параметров и факторов возмущения, действующих на вагоны.

Изложенное показывает, что быстродействие представленной совокупности, позволяет удерживать положение вагона с минимальными отклонениями от оси пути, на начальной стадии возмущения, пока силы удара, инерции и ускорения не достигли значительных величин.

Замена трения скольжения на гребне колес за счет передачи боковых усилий на вращающиеся колеса подвижных осей на трение качения позволяет уменьшить силы сопротивления движению в 5-10 раз, уменьшить множество негативных эффектов, и различные виды разрушения и износа обеих элементов контактной пары, повысить циклическую прочность, уменьшить вероятность схода колес из-за аномального трения в кривых, устранить остроконечный накат и многое другое.

Для обеспечения безопасности применения подвижных осей потребуется повышение культуры обслуживания и эксплуатации подвижного состава, разработка автоматического, дистанционного управления, исключающего субъективный фактор, установка знаков, светофоров, звукового, светового, радиоэлектронного, аварийного оповещения, дистанционных радио и телевизионных передатчиков, подающих команду на пульт машиниста, на автоматическое отключение системы питания электроклапанов в местах стрелочных переводов, пересечения путей, ремонта дорог и других аномалий, требующих подъема колес подвижных осей.

Применение предлагаемого способа в комплексе с технологическими [9] и предложенным конструктивным решенияем позволит уйти от интенсивного усталостного разрушения, износа истиранием, схватыванием, выкрашиванием, заложенного использованием одноименных материалов колеса и рельсов, отличающихся по химическому составу на сотые доли процента, от лубрикации, плазменного упрочнения и других дорогостоящих методов, явившихся источниками аномального износа рельсов.

Годовые затраты на восстановление износа только колесных пар в ОАО РЖД достигли порядка 30 миллиардов рублей, на обслуживание и замену рельсов расходуется не меньше. Интенсивность износа определяется протяженностью кривых, которая составляет 33% от общей протяженности дорог России и достигает в отдельных филиалах 50-70 процентов. Интенсивность износа различается по сети дорог в 10-11 раз. Боковой износ рельсов на некоторых участках дорог достиг 18-20 мм [7, 8]. Приведенные показатели подтверждают, что радикальных мер борьбы с износом нет. Величина износа может быть уменьшена до определенного предела, после которого начинается стадия усталостного разрушения более катастрофическая по последствиям. Этот предел практически достигнут, о чем свидетельствует, что за последние 10-20 лет интенсивность замены рельсов возрасла в 10 раз.

Ежедневно на сети дорог в странах СНГ расходуется порядка 600 т бандажной стали, идущей на восстановление только колес подвижного состава. Столько же расходуется на замену рельсов. Не трудно посчитать, что за столетие только в России израсходовано более 40-50 млн. тонн высококачественной стали, что соизмеримо с возможностями исчерпания ресурсов планеты.

Авторы понимают не стандартность предлагаемого способа и устройства и сроки его внедрения, однако другого решения устранения износа в течение двух столетий не найдено. Фактор перспектив эффективности и снижения затрат от использования предлагаемого способа и устройства должен обеспечить разработку предлагаемого направления. Затраты на экспериментальные работы представляются ничтожными по сравнению с возможным эффектом.

Значительно проще перестроить конструкцию пути под предлагаемый вариант технического решения позволяющий комплексно решить проблему износа а не гоняться за ней безрезультатно третье столетие. Примером надлежащей организации пути может служить московский метрополитен.

Источники информации

1. Патент №229400 по кл. С2, МКП B61F, «Боковая опора кузова на тележку» публ. 07.05.2004 г. Бюл. №15.

2. Скачков А.Н. Автоматическое регулирование процесса демпфирования колебаний пассажирских вагонов. Автореферат кандидатской диссертации. Москва. 2011 г.

3. Патент №2384443, по кл. В61Н 11/02, В61Н 13/00, В60Т 11/10, В60Т 8/32, «Способ торможения и устройство для его реализации» публ. 27.01.2009 г.

4. Патент №2590756, по кл. B61F 5/02, В61Н 5/00, «Подавитель виляния тележки грузового вагона-антивил В.В. Бодрова» публ. 10.07.2016 г.

5 Скайбеда А.Т. и др. Детали машин и основы конструирования: Учеб. / Под общ. Ред. А.Т. Скайбеды. - Мн.: Выш. шк.., 2000-584 с.

6 Д.Н. Решетов. Детали машин. - М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

7. Воробьев А.А., Конограй О.А. Сопоставление территориальных филиалов ОАО «РЖД» по условиям эксплуатации колесных пар подвижного состава (ПГУПС, г. Санкт-Петербург.

8. ОАО «Российские железные дороги» Распоряжение от 16 июня 2011 г. №1317 р.

9. Патент 2416674 С23С 8/20 «Способ химико-термической обработки поверхности металлических изделий.

1. Способ демпфирования вагонов, характеризующийся тем, что в опорах на днище корпуса параллельно продольной оси вагона устанавливают валы с обеих сторон у обоих торцов вблизи к колесным парам, на которых вертикально на шпонках размещают пневмоцилиндры с подвижными осями на штоках, колесами и жестко связанными с ними роликами, при этом ролики свободно вращают в плоскости колесных пар, опускают их до упора на поверхность катания рельсов, обеспечивают тем самым положение оси колес на уровне оси головки рельсов, которые свободно вращают в горизонтальной плоскости или под углом к горизонтали до 45 градусов при прижатии к боковой поверхности рельсов с внутренней, наружной или с обеих сторон, обеспечивают при этом постоянный контакт, а поперечные усилия, возникающие в колее, и поперечные перемещения оси вагона относительно оси рельсового пути копируют колесами, передают их через подвижные оси, на пневмоцилиндрах и валы, качающиеся в опорах, на верхние точки маятниковых рычагов, которые устанавливают в торцевой плоскости вагона, на шпонках с другой стороны валов, при этом уменьшают поперечные усилия в верхних точках, увеличивают скорость и величину относительного перемещения осей вагона и пути, возникающего в колее при движении, соответственно на передаточное число U от 2 до 10, где U равно отношению длин плеч рычагов L/H, где L - длина маятникового рычага от оси вала до верхней точки, Н - расстояние от оси вала до оси головки рельсов и колеса, а маятниковые рычаги соединяют шарнирно со штоками поршней сдвоенного поршневого компрессора, с траверсой с пружинами, полыми штоками поршней сдвоенного пневмоцилиндра и штоками золотниковых распределителей, которые автоматически подают давление из ресивера в соответствующие полости сдвоенного пневмоцилиндра при предельных нагрузках, угловых перемещениях и деформации маятниковых рычагов, создают на штоках соответствующих поршней дополнительно поперечные силы, противодействующие внешним, которые передают обратно через маятниковые рычаги и валы в опорах корпуса на колеса подвижных осей и на рельсы, увеличивают их при этом на передаточное число U, вычитают из действующих усилий в сопряжении гребня колесной пары с рельсом, заменяют трение скольжения на трение качения, уменьшают сопротивление движению от сил трения в 5-10 раз, демпфируют поперечные колебания, уменьшают действие центробежных сил, амплитуду, скорость, ускорение, кинетическую энергию удара о рельсы вплоть до полного их устранения, рекуперируют энергию поперечных возмущений в давление воздуха в полостях поршневых компрессоров, который закачивают в ресивер и используют для управления автоматикой, а демпфирующими свойствами вагонов состава управляют в зависимости от скорости движения, транспортируемой массы, состояния пути и радиуса кривизны давлением в пневмомагистрали через редукционный клапан, которым управляют с пульта машиниста в процессе движения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вертикальное демпфирование колебаний осуществляют через пневцилиндры с подвижными осями, которые опускают на штоках до упора роликов на поверхность катания рельсов, а при ходе вагона вниз в процессе колебаний параллельно усилиям пружин возврата создают давление воздуха над поршнем и под ним при неподвижном штоке, действующее на некомпенсированную площадь пневмоцилиндра, а при ходе вверх стравливают давление над и под поршнем, при этом обе полости соединяют между собой через редукционный клапан, поддерживающий требуемый перепад, которым обеспечивают гарантированное прижатие роликов к рельсам, а излишки давления сбрасывают во всасывающую магистраль пневмоцилиндров сдвоенного компрессора, сдвоенного пневмоцилиндра и золотниковых распределителей.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно управляют диапазоном подачи, заполнения, выдержки и дренажа давления воздуха, которое подают через золотниковые распределители в соответствующие полости сдвоенного пневмоцилиндра электроклапанами по сигналам датчиков частоты вертикальных и горизонтальных колебаний кузова через блок программного управления, исключают совпадение экстремальных значений периодов и частот.

4. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее железнодорожный вагон, рельсы, тележки, колесные пары, рычажную демпфирующую систему, пневмоцилиндры, колеса, отличающееся тем, что оно снабжено пневмоцилиндрами с подвижными осями в вертикальной плоскости с установленными на них свободно вращающимися колесами в горизонтальной плоскости и жестко связанными с ними роликами, вращающимися в вертикальной плоскости, выполненными с возможностью вертикального подъема, опускания и качания на валах в поперечном направлении, которые соединены через валы с маятниковыми рычагами.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что пневмоцилиндры снабжены пружинами возврата в исходное положение.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство снабжено маятниковыми рычагами в виде плоских пружин изгиба и пневмоцилиндрами с подвижными осями, посаженными на валах, выполненных в виде единого жесткого рычага, связанного с корпусом вагона через валы, установленные в опорах, а роль второй опоры выполняют колеса при выдвижении штоков с подвижными осями, упирающиеся в боковую поверхность головки рельсов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что снабжено третьей упругой опорой, передающей усилия от давления воздуха, действующие на поршни полых штоков сдвоенного пневмоцилиндра, на маятниковые рычаги, вызывая их упругую деформацию, противодействующую пропорционально поперечным усилиям, смещающим ось вагона от оси рельсового пути.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что снабжено траверсой с размещенными на ней свободно перемещающимися вдоль полыми штоками поршней сдвоенного пневмоцилиндра, шарнирно соединенными с маятниковыми рычагами через навинченные резьбовые сферические вставки, стягиваемые между собой до упора колес в рельсы пружинами, установленными в резьбовых стаканах на торцах траверсы.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что корпуса поршневого компрессора и сдвоенного пневмоцилиндра шарнирно-подвижно соединены поступательной парой с корпусом вагона и шарнирно – со штоками маятниковых рычагов и траверсой.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что снабжено золотниковыми распределителями, шарнирно соединенными с маятниковыми рычагами и корпусом, открывающими при деформации и угловых отклонениях маятниковых рычагов соответствующие полости подачи давления в сдвоенные пневмоцилиндры.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что снабжено редукционным клапаном, установленным на пневмомагистрали подачи давления в ресиверы вагонов, регулируемым с пульта машиниста по ходу движения.