Рессорное подвешивание для тележки грузового вагона
Владельцы патента RU 2766940:
Общество с ограниченной ответственностью «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий» (ООО «ВНИЦТТ») (RU)
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к рессорным подвешиваниям тележек грузовых вагонов. Подвешивание содержит цилиндрические пружины и установленные внутри пружин упругие ограничители их хода. Ограничители содержат верхнее и нижнее торцевые основания и упругий цилиндрический стержень. Высоту стержня выбирают из условия превышения высоты пружины в сжатом состоянии на 3-5%. Полный статический прогиб подвешивания до включения в работу ограничителя не превышает 0,97 полного прогиба пружин. Наружный диаметр ограничителя выбирают из условия обеспечения радиального зазора между ограничителем и пружиной в 3-6 мм. Повышается ресурс пружин рессорного подвешивания. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и касается конструкции тележек грузовых вагонов, в части рессорного подвешивания.
На рессорное подвешивание действуют комбинации вертикальных и боковых сил. При движении вагона смыкание рабочих витков пружин не допустимо, кроме проведения маневровых работ, на сортировочных горках, где возможно кратковременное смыкание рабочих витков пружин рессорного подвешивания, вызванное значительной вертикальной добавкой от продольных сил инерции. Кратковременное смыкание рабочих витков пружин рессорного подвешивания вызывает экстремальные значения касательных напряжений, способных вызвать микротрещины, приводящих в дальнейшем к излому пружин рессорного подвешивания.
Известна тележка Motion Control грузового вагона с центральным рессорным подвешиванием, в которой балка надрессорная опирается на раму боковую через семь двухрядных и две однорядные пружин рессорного подвешивания, см. Орлова А.М. Россия и США: путь и тележки для повышенных осевых нагрузок / А.М. Орлова, Е.А. Рудакова, А.В. Гусев // Вагоны и вагонное хозяйство. – 2017. – №4. – С. 41 – 44.
Известна тележка грузового вагона с центральным рессорным подвешиванием, в которой балка надрессорная опирается на раму боковую через комплект однорядных и двухрядных пружин рессорного подвешивания, см. US7174837B2 от 13.02.2007.
Недостатком данных тележек является значительная гибкость пружин рессорного подвешивания, приводящая к смыканию рабочих витков пружин рессорного подвешивания при проведении маневровых работах, при роспуске грузовых вагонов с горки.
Известна трёхэлементная тележка, содержащая в составе своего пружинного комплекта набор эластомерных элементов, см. № WO201970710 A1 от 11.04.2019 г.
Недостатком указанного технического решения является быстрый выход из строя эластомерного элемента, по причине наличия остаточных деформаций. Кроме того, данный эластомерный элемент не соответствует условиям эксплуатации грузовых вагонов в России и может спровоцировать увеличение динамической составляющей вертикальных сил и повышенное воздействия грузового вагона на железнодорожный путь.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, содержащее цилиндрические пружины, упругие вставки ограничители хода, предотвращающие смыкание витков пружин рессорного подвешивания при движении грузового вагона при маневровых работах на сортировочных горках, см. № CN206926652 U от 26.01.2018 г.
Недостатком технического решения является сложность конструкции, не позволяющей использовать ограничитель колебаний отдельно от пружины, существенное уменьшение рабочего диапазона упругой составляющей пружины в виду того, что опорные витки пружины размещаются на основаниях ограничителя.
Для предотвращения возможного смыкания рабочих витков пружин рессорного подвешивания предлагается использовать упругие ограничители, размещённые внутри пружин рессорного подвешивания.
Технический результат изобретения заключается в повышении надёжности и ресурса пружин центрального рессорного подвешивания.
Технический результат достигается рессорным подвешиванием, содержащим цилиндрические пружины, установленные внутри пружин упругие ограничители их хода с верхними и нижними торцовыми основаниями, упругие элементы с верхними и нижними торцами, размещённые между верхними и нижними торцовыми основаниями упругих ограничителей для предотвращения смыкания витков пружин рессорного подвешивания при движении грузового вагона, каждый упругий ограничитель выполнен в виде цилиндрического демпфера высотой lупр, наружным диаметром Dупр, при этом упругий элемент установлен с упором верхнего и нижнего торцов в верхнее и нижнее торцовые основания упругого ограничителя,
высота lупр упругого ограничителя определяют из условия превышения высоты пружины в сжатом состоянии на величину от 3 до 5%,
полный статический прогиб fупр рессорного подвешивания до включения в работу упругого ограничителя не превышает 0,97∙полного статического прогиба fсм пружин рессорного подвешивания до смыкания рабочих витков первой из пружин,
наружный диаметр Dупр упругого ограничителя определяется из условия обеспечения размещения его внутри пружины при обеспечении радиального зазора между упругим ограничителем и пружиной в диапазоне от 3 до 6 мм,
жёсткость на сжатие Супр упругого элемента ограничителя принимается из условия обеспечения продольной деформации Δупр упругого ограничителя при действии на него силы Pупр, согласно выражению:
,
где Рупр – сила, действующая на упругий ограничитель в вертикальном направлении; ∆упр – продольная деформация упругого ограничителя;
продольная деформация упругого ограничителя находится в диапазоне Δупр = (0,03…0,05)
lсм, где lсм – наибольшая высота пружин в сжатом состоянии;
количество упругих ограничителей в каждом пружинном комплекте рессорного подвешивания составляет от 1 до 7 штук;
упругий элемент упругого ограничителя выполнен из материала типа полиуретан;
верхнее торцовое основание и нижнее торцовое основания упругого ограничителя выполнены с центральными центрирующими выступами, при этом упругий элемент ограничителя выполнен с ответными нижним и верхним глухими отверстиями для размещения в них указанных центральных центрирующих выступов.
Заявляемое изобретение отличается от прототипа, тем, что каждый упругий ограничитель выполнен в виде цилиндрического демпфера высотой lупр, наружным диаметром Dупр, при этом упругий элемент установлен с упором верхнего и нижнего торцов в верхнее и нижнее торцовые основания упругого ограничителя,
высота lупр упругого ограничителя определяют из условия превышения высоты пружины в сжатом состоянии на величину от 3 до 5%,
полный статический прогиб fупр рессорного подвешивания до включения в работу упругого ограничителя не превышает 0,97∙полного статического прогиба fсм пружин рессорного подвешивания до смыкания рабочих витков первой из пружин,
наружный диаметр Dупр упругого ограничителя определяется из условия обеспечения размещения его внутри пружины при обеспечении радиального зазора между упругим ограничителем и пружиной в диапазоне от 3 до 6 мм,
жёсткость на сжатие Супр упругого элемента ограничителя принимается из условия обеспечения продольной деформации Δупр упругого ограничителя при действии на него силы Pупр согласно выражению:
,
где Рупр – сила, действующая на упругий ограничитель в вертикальном направлении; ∆упр – продольная деформация упругого ограничителя;
продольная деформация упругого ограничителя находится в диапазоне Δупр = (0,03…0,05)lсм, где lсм – наибольшая высота пружин в сжатом состоянии;
количество упругих ограничителей в каждом пружинном комплекте рессорного подвешивания составляет от 1 до 7 штук;
упругий элемент упругого ограничителя выполнен из материала типа полиуретан;
верхнее торцовое основание и нижнее торцовое основания упругого ограничителя выполнены с центральными центрирующими выступами, при этом упругий элемент ограничителя выполнен с ответными нижним и верхним глухими отверстиями для размещения в них указанных центральных центрирующих выступов.
Таким образом предлагаемое изобретение позволяет увеличить ресурс пружин и обеспечить безопасность движения вагона.
В зависимости от воспринимаемой ударной нагрузки количество упругих ограничителей в рессорном подвешивании варьируется от 1 до 7. При этом размещение упругих ограничителей внутри рессорного проёма возможно, как на бонки, центрирующие пружины, так и на плоское основание.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлено:
на Фиг. 1 – общий вид трёхэлементной тележки с центральным рессорным подвешиванием;
на Фиг. 2 – разрез А–А на фиг. 1;
на Фиг. 3 – упругий ограничитель в сборе;
на Фиг. 4 – разрез Б–Б на фиг. 3;
на Фиг. 5 – схема обезгруженного пружинного комплекта;
на Фиг. 6 – схема пружинного комплекта под нагрузкой до смыкания рабочих витков пружин.
Рессорное подвешивание для тележки грузового вагона (Фиг. 1) содержит однорядные или двухрядные цилиндрические пружины 1, упругие ограничители 2 с верхними 2.1 и нижними 2.2 торцовыми основаниями, установленные внутри пружин 1 для предотвращения смыкания витков пружин при движении грузового вагона (Фиг. 2), упругие элементы 3 с верхними 3.1 и нижними 3.2 торцами, размещённые между указанными торцовыми основаниями 2.1 и 2.2 с упором верхних 3.1 и нижних 3.2 торцов в верхние 2.1 и нижние 2.2 торцовые основания (Фиг. 4).
Упругий ограничитель 2 выполнен в виде цилиндрического демпфера высотой lупр и наружным диаметром Dупр (Фиг. 4).
Торцовые основания 2.1 и 2.2 упругого ограничителя 2 выполнены из сплава стали, обеспечивающего достаточную прочность при ударных нагрузках и устойчивое размещение внутри пружины 1. В зависимости от воспринимаемой нагрузки упругий элемент 3 выполнен из материала, способного поглощать излишнюю энергию колебаний, типа полиуретан.
Высота lупр упругого ограничителя 2 определяется из условия превышения высоты пружины 1 в сжатом состоянии на величину 3…5%, что достаточно для компенсации усилия и смягчения удара, предотвращая возможные его разрушительные последствия. При выборе высоты lупр упругого ограничителя 2 учитывается смыкание витков первой из пружин (lсм1 на Фиг. 6). При этом продольная деформация упругого ограничителя должна находится в диапазоне Δупр= 0,03
lсм1…0,05lсм1.
Полный статический прогиб рессорного подвешивания до включения в работу упругого ограничителя 2 составляет fупр ≤ 0,97fсм, где fсм – полный статический прогиб рессорного подвешивания до смыкания рабочих витков первой из пружин.
Наружный диаметр Dупр упругого ограничителя 2 выбирают из условия обеспечения размещения его внутри однорядной или двухрядной пружины 1 под надрессорной балкой, при этом должен обеспечиваться радиальный зазор в диапазоне от 3 до 6 мм.
В соответствии с ГОСТ 33211-2014, несущие элементы тележки рассчитывают при действии вертикальной силы с учётом вертикальной добавки от продольных сил инерции. В связи с тем, что пружины рессорного подвешивания участвуют в передаче сил от несущих элементов конструкции тележки (вертикальные и боковые силы, воспринимаемые надрессорной балкой, передаются на рессорное подвешивание), характеристики упругого ограничителя определяют на восприятие максимальной нагрузки 
рессорного подвешивания из выражения:
где:
– вертикальная статическая нагрузка на пружинный комплект, соответствующая максимальной расчётной массе вагона, Н;
Pв – вертикальная добавка от продольных сил инерции, определяемая согласно п. 4.4.3 ГОСТ 33211-2014, Н;
– высота центра масс составной части вагона или груза от уровня оси автосцепки, м;
– расстояние в продольном направлении между опорами, м;
– продольная сила инерции, приходящаяся на пружинный комплект, Н.
Продольную силу инерции определяют из выражения:
где:
– продольная сила, приложенная к вагону, МН (принимают = 3,5 МН);
– масса кузова вагона с учетом надрессорных балок, кг;
– максимальная расчётная масса вагона, кг.
К основным характеристикам упругого ограничителя относится жёсткость на сжатие упругого элемента, которая выбирается из условия обеспечения прогиба Δупр упругого ограничителя при действии на нее силы Pупр, согласно выражению:
Необходимый диапазон жесткости на сжатие позволяет обеспечить полимерный материал, применяемый компанией НПП «Уником-Сервис» для производства вставок адаптера и полиуретановых демпферов, см. Кривченков А.В., Ефимов В.П., Пряников С.А. / Комплексные испытания полимерных вставок адаптера грузовых тележек // Материалы XIV международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». – Санкт-Петербург, ФГБОУ ВПО ПГУПС, 9 – 13 Июля 2019. – С. 124-128.
Пример расчёта параметров упругого ограничителя на примере тележки с максимальной статической осевой нагрузкой 27 тс.
Расчёт характеристик упругого ограничителя проводился на примере трёхэлементной тележки (фиг. 1), которая имеет рессорное подвешивание с кусочно-линейной вертикальной силовой характеристикой, в состав которого входят 4 варианта исполнения пружин, параметры которых приведены на фиг. 5. Пружинный комплект целиком представляет собой 9 двухрядных пружин. Нагрузка на пружинный комплект при максимальной расчётной статической осевой нагрузке 27 тс составляет 
= 243,29 кН.
Нагрузка на пружинный комплект до смыкания рабочих витков первой из пружин подвешивания (наружная подклиновая) составляет 
= 379,23 кН.
Вертикальная нагрузка на рессорное подвешивание с учётом вертикальной добавки от продольных сил инерции согласно выражению (1) составляет = 387,54 кН, что превышает нагрузку, приводящую к смыканию рабочих витков первой из пружин подвешивания . Применение в данном рессорном подвешивании упругих ограничителей, рассчитанных на восприятие вертикальной нагрузки 
=, позволит предотвратить смыкание рабочих витков пружин и обеспечить их прочность в эксплуатации.
Высота lупр упругого ограничителя определяется из условия превышения высоты пружины в сжатом состоянии (принимается вариант исполнения пружины, которая в сжатом состоянии имеет наибольшую высоту) на величину 3 – 5%: lупр = 181,3…184,8 мм.
Наружный диаметр Dупр упругого ограничителя выбирают из условия обеспечения размещения ее внутри однорядной или двухрядной пружины под надрессорной балкой, при этом необходимо обеспечить радиальный зазор в диапазоне 3–6 мм. Таким образом, Dупр = 48 мм…54 мм.
Продольная деформация упругого ограничителя обеспечивается в диапазоне Δупр = 5,3 мм…8,8 мм.
Жесткость упругого элемента необходимо обеспечить в диапазоне Cупр = Pупр/Δупр = 44 …73 МН/м.
1. Рессорное подвешивание для тележки грузового вагона, содержащее цилиндрические пружины, установленные внутри пружин упругие ограничители их хода с верхними и нижними торцовыми основаниями, упругие элементы с верхними и нижними торцами, размещённые между верхними и нижними торцовыми основаниями упругих ограничителей для предотвращения смыкания витков пружин рессорного подвешивания при движении грузового вагона, отличающееся тем, что каждый упругий ограничитель выполнен в виде цилиндрического демпфера высотой lупр, наружным диаметром Dупр, при этом упругий элемент установлен с упором верхнего и нижнего торцов в верхнее и нижнее торцовые основания упругого ограничителя,
высота lупр упругого ограничителя определяют из условия превышения высоты пружины в сжатом состоянии на величину от 3 до 5%,
полный статический прогиб fупр рессорного подвешивания до включения в работу упругого ограничителя не превышает 0,97 полного статического прогиба fсм пружин рессорного подвешивания до смыкания рабочих витков первой из пружин,
наружный диаметр Dупр упругого ограничителя определяется из условия обеспечения размещения его внутри пружины при обеспечении радиального зазора между упругим ограничителем и пружиной в диапазоне от 3 до 6 мм,
жёсткость на сжатие Супр упругого элемента ограничителя принимается из условия обеспечения продольной деформации Δупр упругого ограничителя при действии на него силы Pупр согласно выражению:
,
где Рупр – сила, действующая на упругий ограничитель в вертикальном направлении; ∆упр – продольная деформация упругого ограничителя.
2. Рессорное подвешивание по п. 1, отличающееся тем, что продольная деформация упругого ограничителя находится в диапазоне Δупр = (0,03…0,05)⋅lсм, где lсм – наибольшая высота пружин в сжатом состоянии.
3. Рессорное подвешивание по п. 1, отличающееся тем, что количество упругих ограничителей в каждом пружинном комплекте рессорного подвешивания составляет от 1 до 7 штук.
4. Рессорное подвешивание по п. 1, отличающееся тем, что упругий элемент упругого ограничителя выполнен из материала типа полиуретан.
5. Рессорное подвешивание по п. 1, отличающееся тем, что верхнее торцовое основание и нижнее торцовое основание упругого ограничителя выполнены с центральными центрирующими выступами, при этом упругий элемент ограничителя выполнен с ответными нижним и верхним глухими отверстиями для размещения в них указанных центральных центрирующих выступов.
