CZ2003120A3

CZ2003120A3 - Stabilní železniční kolo

Info

Publication number: CZ2003120A3
Application number: CZ2003120A
Authority: CZ
Inventors: Zimaáradimáing; Pavčoájaromíráing; Pavčoápetráing; Vampolaávladimíráing
Original assignee: Bonatransáa@S
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-18
Also published as: EP1440817B1; PT1440817E; ES2329037T3; ATE432175T1; EP1440817A3; DE502004009514D1; CZ293896B6; EP1440817A2

Description

Stabilní železniční kolo

Oblast techniky

Řešení se týká konstrukce^železničního kola, které je v provozu namáháno teplem od brfdění špalíkovou brzdou a kolovými silami, při jejichž kombinaci vznikají v konstrukci kola vysoké hodnoty napětí a deformací věnce kola.

Dosavadní stav techniky

Železniční kola se skládají ze tří hlavních části, a to z náboje kola, z věnce kola a z desky kola, která zajišťuje přechod mezi nábojem kola a jeho věncem. Jsou známá kola, která mají rovný tvar desky kola, nejčastěji se však používají odlehčená kola s různě prohnutými a tvarovanými deskami, přičemž tvar desky kola má vliv na odolnost kola proti mechanickému a tepelnému zatížení.

Standardní stále nejrozšířenější konstrukcí v provozu na železnicích je kolo s deskou tvořenou tangenciálním profdem, takzvané kolo UIC-ORE. Toto kolo dokáže odolávat vysokým teplotám na věnci kola, nedostatkem je však vysoké pnutí ve věnci kola po ochlazení a vznik plastických deformací z důvodů malé pružnosti, které značně omezují použití vyšších zatížení Λ &

na nápravu, které pak zejména u kol pro nákladní železniční vozy nejsou dostatečné.

Proto je vývoji nových tvarů desky kola věnována v posledním období veliká pozornost všech výrobců železničních kol a hovoří se o optimalizovaných kolech. Jejich smyslem je nalézt takové tvary, rozměry a polohy desky kola, které budou omezovat axiální posunutí, to je deformace věnce kola a hladinu napětí především opět ve věnci kola_;a to jak v ohřátém stavu, tak i ve studeném stavu po ochlazení kola v provozu. Tímto se významně zvýší bezpečnost a spolehlivost kol v provozu v důsledku zajištění rozměrové stability rozchodu dvojkoíí a nízké napjatosti v konstrukci, která neiniciuje nebo nepodporuje vznik a šíření trhlin_tvedoucíjn ke katastrofickým lomům při zatížení kol v provozu.

Je známo například řešení takzvaného zvonového kola dle patentu DE 3117572, kde^střednice desky kola, to znamená její osa, je tvořena pravidelnou křivkou definovanou /osinovou

- λ funkcí, která je často v praxi aproximována třemi shodnými poloměry zakřivení. U tohoto

C kola je výhodou nižší hmotnost kola a nižší reíiduální tangenciální napětí ve věnci po ochlazení z brzdění. Pro použití na vyšší nápravové zatížení však takováto konstrukce kola má od mechanického namáhání vysoké efektivní i radiální napětí v desce kola a tak pro dosažení požadované únavové pevnosti musí mít zesilovanou desku kola, čímž se ztrácí výhoda nižší hmotnosti a navíc se zhoršuje úroveň re^iduálních tangenciálních napětí ve věnci kola současně s nárůstem axiálního posunutí věnce kola vůči jeho náboji, což způsobuje jeho deformaci.

Tvarově obdobné řešení je popsáno v přihlášce patentu EP 1 225 065 Al nebo v patentu CZ 292 087. Nevýhodou těchto řešení je, že se uvedené tvary nedají dále optimalizovat tak, aby se dosáhlo výrazné úspory ve hmotnosti kola při současném dalším zlepšení některých parametrů kola, jako je zejména snížení efektivních napětí, snížení tangenciálních napětí ve věnci kola a snížení axiálního posunutí věnce v ohřátém stavu z provozu či následkem brzdění a dále snížení efektivních a radiálních napětí i v ostatních částech kola mimo oblast jeho věnce.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje stabilní železniční kolo, jehož střední rovina je kolmá na osu otáčení kola a které sestává z náboje kola, z věnce kola tvořeného jízdní plochou a okolkem a z desky kola, jejíž příčný profil se nachází podél střednice, která probíhá mezi prvním bodem, ležícím v místě počátku přechodu desky kola do věnce kola, prostředním bodem, ležícím na opačné straně střední roviny než okolek v místě maximálního axiálního vybočení desky kola a posledním bodem, ležícím v místě počátku přechodu desky kola do náboje kola, jehož podstata spočívá v tom, že střednice desky kola je v místě svého maximálního axiálního vybočení tvořena prostředním přímým úsekem, který leží v rovině kolmé na osu otáčení kola a je spojen jak s prvním bodem střednice desky kola,tak i s jejím posledním bodem buď dvěma zakřiveními anebo kombinací zakřivení a přímého úseku. Výhodné je provedení železničního kola, kdy první bod a poslední bod střednice desky kola se nachází ve střední rovině, mohou se však nacházet rovněž každý na jiné straně střední roviny anebo oba na stejné straně od střední roviny.

3Jako výhodné je i provedení železničního kola, kdy první bod nebo poslední bod střednice desky kola se nachází ve střední rovině a opačný z těchto bodů na kterékoliv straně od střední roviny.

Rovněž je výhodné, když axiální vybočení střednice desky kola, to je vzdálenost mezi rovinou s prostředními body střednice desky kola a střední rovinou, je maximálně rovna 0,35násobku šířky věnce kola.

Zakřivení části střednice desky kola mezi prostředním přímým úsekem v místě maximálního axiálního vybočení desky kola a body v místě počátků přechodů desky kola do věnce kola a do náboje kola je přitom tvořeno křivkami třetího stupně nebo oblouky kruhů.

Je-li prostřední přímý úsek v místě maximálního axiálního vybočení střednice desky kola spojen jak s prvním bodem, tak i s posledním bodem střednice desky kola dvěma zakřiveními, jako vhodné se doporučuje řešení, kdy úsek od prvního bodu střednice desky kola,ležícího v místě počátku přechodu desky kola do věnce kola, k prvnímu prostřednímu bodu střednice sestává ze zakřivení o prvním vnějším poloměru křivosti a z dalšího zakřivení o prvním vnitřním poloměru křivosti, přičemž v tomto úseku je vnitřní poloměr větší než vnější poloměr a úsek od posledního bodu střednice desky kola,ležícího v místě počátku přechodu desky kola do náboje kola,k druhému prostřednímu bodu střednice sestává ze zakřivení o druhém vnějším poloměru křivosti a ze zakřivení o druhém vnitřním poloměru křivosti, kdy vnitřní poloměr je v tomto úseku větší než vnější poloměr. Pro dosažení nej výhodnějších výsledků z pohledu minimalizace deformací se rovněž doporučuje, aby střednice desky kola byla tvořena dvěma dvojicemi rozměrově shodných částí křivek třetího stupně nebo kruhových oblouků, to je aby oba vnitřní poloměry křivosti měly stejnou velikost a oba vnější poloměry křivosti rovněž stejnou velikost, přičemž v každém z obou úseku střednice desky kola velikost vnitřních poloměrů dosahuje 1,5 až 3,5-násobku velikosti vnějších poloměrů daného úseku.

Střední rovina přitom probíhá věncem kola v místě takzvané styčné kružnice, kde se teoreticky stýká jízdní plocha kola se středem hlavy kolejnice.

Doporučuje se konstrukce kola, kdy se vzdálenost prvního bodu střednice desky kola od osy otáčení kola pohybuje v rozmezí od 0,7 do 0,9-násobku vnějšího poloměru železničního kola a kdy vzdálenost posledního bodu střednice desky kola od osy otáčení kola se pohybuje v rozmezí od 0,3 do 0,45-násobku vnějšího poloměru kola.

Výhodné je rovněž provedení železničního kola, kdy je střednice desky kola mezi prostředním přímým úsekem v místě svého maximálního axiálního vybočení a body v místě počátků přechodů desky kola do věnce kola a do náboje kola tvořena kombinací oblouků kruhů nebo křivek třetího stupně a přímých úseků. Přímé úseky přitom vychází z prvního bodu a z posledního bodu střednice desky kola a dále přechází zakřivením na prostřední přímý úsek střednice desky kola.

Rovněž je výhodné provedení železničního kola, kdy tloušťka desky kola je konstantní podél své střednice od prvního bodu střednice k místu svého maximálního axiálního vybočení, konstantní je rovněž v prostředním přímém úseku a dále se směrem k poslednímu bodu střednice zvětšuje, a to rovnoměrně, případně podle křivky druhého či třetího stupně .

Výhoda tohoto železničního kola spočívá v tom, že má malou hmotnost a přitom vykazuje velmi dobré vlastnosti v ohřátém stavu, to je nízké hodnoty efektivních a radiálních napětí, tangenciálních napětí ve věnci i nízké hodnoty axiálního posunutí věnce kola. Další výhodou je, že v ochlazeném stavu má tato konstrukce nižší efektivní a radiální napětí při zachování ostatních parametrů srovnatelných s těmi, které se docilují u dříve známých a popsaných řešení.

Tato konstrukce kola je vhodná pro jeho použití především pro nákladní vozy, na druhé straně se dá s výhodou používat pro všechny typy kolejových vozidel s tepelně a silově namáhanými koly včetně hnacích vozidel a lokomotiv. ,

Kolo může být vyrobeno z jakékoliv jakosti oceli používaných na železnici dle známých technických norem, a to válcováním a kováním, případně odléváním. Při brzdění špalíkovou brzdou je kolo schopno opakovaně absorbovat brzdné cykly s výkonem 55 kW po dobu 45 minut bez negativních důsledků deformace věnce kola a nárůstu tahových tangenciálních napětí ve věnci kola při ochlazení věnce kola po ohřevu způsobeném brzděním nebo provozem. Nedochází tak ke změně rozchodu respektive rozkolí u železničního dvojkolí a tím se zvyšuje bezpečnost při projíždění výhybkami a kříženími a omezuje se možnost výkolejení železničních vozů.

Přehled obrázků na výkresech

Na obrázcích 1 a 2 jsou ve svém příčném řezu znázorněny některé z možných příkladů provedení vždy jedné poloviny železničního kola.

Příklad provedení

Příklad 1 ' -5 Železniční kolo, podle obrázku 1, má vnější poloměr Rl a sestává z věnce 1 kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, z náboje 5 kola, z přechodu 6 desky 4 kola do věnce 1 kola a z přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec 1 kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku Hl. Na střednici desky 4 kola se nachází první bod A v místě počátku přechodu 6 desky 4 kola do věnce 1 kola, prostřední body B,C v místě jejího maximálního axiálního vybočení a poslední bod D v místě počátku přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. První bod A střednice desky 4 kola leží v rovině P3, která je kolmá na osu Z otáčení kola a je vůči střední rovině PÍ posunuta směrem ke vnější hraně 8 věnce X kola o vzdálenost H4 a poslední bod D střednice desky 4 kola leží ve střední rovině Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a má od vnitřní hrany 9 kola vzdálenost H3. V místě svého maximálního axiálního vybočení je střednice desky 4 kola tvořena mezi prostředními body B,C prostředním přímým úsekem, což je rovný úsek o délce L_/ležící v rovině P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a je posunuta od střední roviny Pl směrem k vnější hraně 8 věnce 1 kola o vzdálenost H2₍rovnající se maximálně 0,35-násobku šířky Hl věnce 1 kola. Část střednice desky 4 kola mezi prvním bodem A v místě počátku přechodu 6 desky 4 kola do y m e 17 .j'-'··:..

věnce i kola a prostředním bodem B je složena z přímého useku ťÁPa dále z kruhového óblbukiůEBo poloměru R5 . Část střednice desky 4 kola mezi posledním bodem D v místě počátku přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola a prostředním bodem C je složena \l~y~l fc’-ž-7 όίΧίγ . < tí íaycZ y ___ z přímého úsekůíDE a dále z kruhového oblouk mEC o poloměru R6. První bod A střednice desky 4 kola leží na poloměru R2, který je 0,8-násobkem vnějšího poloměru Rl kola a poslední bod D střednice desky 4 kola leží na poloměru R3, který je 0,4-násobkem vnějšího poloměru Rl kola. Deska 4 kola má v úseku mezi posledním bodem D a prostředním bodem B konstantní tloušťku T2, od prostředního bodu B se poté rovnoměrně zmenšuje přes bod F až do prvního bodu A, kde má tloušťku TI.

Příklad 2

Železniční kolo, podle obrázku 2, má vnější poloměr Rl a sestává z věnce i kola s jízdní plochou 2 a okolkem 3, z desky 4 kola, z náboje 5 kola, z přechodu 6 desky 4 kola do věnce i kola a z přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věnec 1_ kola je ohraničen vnější hranou 8, vnitřní hranou 9 a má šířku Hl. Na střednici desky 4 kola se nachází první bod A v místě počátku přechodu 6 desky 4 kola do věnce X kola, prostřední body B,C v místě jejího maximálního axiálního vybočení a poslední bod D v místě počátku přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola. Věncem X kola prochází střední rovina Pl, která je kolmá k ose Z otáčení kola a leží ve vzdálenosti H3 od vnitřní hrany 9 věnce X kola. První bod A střednice desky 4

- 6 kola leží v rovině P3, která je kolmá na osu Z otáčení kola a je vůči střední rovině PÍ posunuta směrem ke vnější hraně 8 věnce i kola o vzdálenost H4 a poslední bod D střednice desky 4 kola leží v rovině P4, která je kolmá na osu Z otáčení kola a je vůči střední rovině PÍ posunuta směrem ke vnitřní hraně 9 věnce i kola o vzdálenost H5. V místě svého maximálního axiálního vybočení je střednice desky 4 kola tvořena mezi prostředními body B,C prostředním přímým úsekem, což je rovný úsek o délce L ležící v rovině P2, která je kolmá k ose Z otáčení kola a je posunuta od střední roviny PÍ směrem k vnější hraně 8 věnce 1 kola o vzdálenost H2 rovnající se maximálně 0,35-násobku šířky Hl věnce 1 kola. Část střednice desky 4 kola mezi prvním bodem A v místě počátku přechodu 6 desky 4 kola do věnce 1 kola a prostředním bodem B je tvořena kruhovým obloukem o prvním vnějším poloměru R4 a kruhovým obloukem o prvním vnitřním poloměru R5. Část střednice desky 4 kola mezi posledním bodem D v místě počátku přechodu 7 desky 4 kola do náboje 5 kola a prostředním bodem C je tvořena kruhovým obloukem o druhém vnějším poloměru R7 a kruhovým obloukem o druhém vnitřním poloměru R6. Vnitřní poloměry R5 a R6 mají stejnou velikost a jsou větší než shodné vnější poloměry R4 a R7. První bod A střednice desky 4 kola leží na poloměru R2, který je 0,8-násobkem vnějšího poloměru Rl kola a poslední bod D střednice desky 4 kola leží na poloměru R3, který je 0,4-násobkem vnějšího poloměru Rl kola. Deska 4 kola má v místě od prvního bodu A do prostředního bodu C konstantní tloušťku Ti a od prostředního bodu C do posledního bodu D se rovnoměrně zvětšuje až na tloušťku T2 v posledním bodě D.

Průmyslová využitelnost

Stabilní železniční kolo s minimalizovaným napětím a deformacemi lze využít pro všechny typy kolejových vozidel brzděných špalíkem na jízdní ploše nebo jinak tepelně namáhaných kolech, zejména však pro nákladní železniční vozy, hnací vozidla a lokomotivy. S ohledem na dobrou radiální poddajnost s dostatečnou únavovou pevností v kritickém místě kola, to je v přechodu desky kola do náboje kola, je možno tuto konstrukci kola používat i pro železniční vozidla, kde není aplikována špalíková brzda, ale jsou použity samotné brzdové kotouče, což je případ železničních vozů pro osobní dopravu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Stabilní železniční kolo se střední rovinou (Pl), která je kolmá na osu (Z) otáčení kola, sestávající z náboje (5) kola, z věnce (1) kola tvořeného jízdní plochou (2) a okolkem (3) a z desky (4) kola, jejíž příčný profil se nachází podél střednice, která probíhá mezi prvním bodem (A)_z ležícím v místě počátku přechodu (6) desky (4) kola do věnce (1) kola, prostředním bodem (B); ležícím na opačné straně střední roviny (Pl) než okolek (3) v místě maximálního axiálního vybočení desky (4) kola a posledním bodem (D^ ležícím v místě počátku přechodu (7) desky (4) kola do náboje (5) kola, vyznačující se tím, že střednice desky (4) kola je v místě svého maximálního axiálního vybočení tvořena prostředním přímým úsekem, který leží v rovině (P2) kolmé na osu (Z) otáčení kola a je spojen jak s prvním bodem (A) střednice desky (4) kola/ak i s jejím posledním bodem (D) buď dvěma zakřiveními anebo kombinací zakřivení a přímého úseku.
2. Železniční kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první bod (A) a poslední bod (D) střednice desky (4) kola se nachází ve střední rovině (Pl).
3. Železniční kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první bod (A) a poslední bod (D) střednice desky (4) kola se nacházejí každý na jiné straně od střední roviny (Pl).
4. Železniční kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první bod (A) i poslední bod (D) střednice desky (4) kola se nachází na stejné straně od střední roviny (Pl).
5. Železniční kolo podle nároku 1, vyznačující se tím, že první bod (A) nebo poslední bod (D) střednice desky (4) kola se nachází ve střední rovině (Pl) a opačný z těchto bodů na kterékoliv straně od střední roviny (Pl).
6. Železniční kolo podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že vzdálenost (H2) mezi střední rovinou (Pl) a rovinou (P2) je rovna maximálně 0,35-násobku šířky (Hl) věnce (1) kola.