Oblast techniky

Řešení se týká konstrukce železničního kola, které je při brždění mírně deformováno vznikem značného tepelného namáhání a zatížení kolovými silami.

Dosavadní stav techniky

Železniční kola se skládají ze tří hlavních částí, a to z náboje kola, desky kola a věnce kola. Deska kola je část, která spojuje náboj kola sjeho věncem. Doposud používaná kola mají různé konstrukční provedení, kde tvar a tloušťka desky včetně jejího přechodu do náboje či věnce kola závisí na způsobu použití a velikosti zatěžování kola.

Je známé železniční kolo, které má rovný tvar desky kola s konstantní tloušťkou anebo tloušťkou rovnoměrně proměnnou po své délce od věnce kola kjeho náboji. Tato konstrukce je vhodná pro kola, na která působí hlavně silové zatížení, protože jsou značně tuhá. Při tepelném zatížení kola, například při brždění, však toto kolo neeliminuje vznikající napětí při únosné tloušťce desky kola a dochází zde ke vzniku trvalých deformací.

Pro kola vystavená jak mechanickému, tak i tepelnému zatížení se doposud používají odlehčená kola s různě prohnutými a tvarovanými deskami. Standardní a běžně používanou konstrukcí je kolo UIC, které má desku kola tvořenou tangenciálním profilem a minimálním nebo nulovým přesazením osy věnce kola proti ose náboje kola. Toto kolo dokáže odolávat vysokým teplotám na věnci kola, ovšem nedostatkem jsou vysoká okamžitá i zbytková pnutí a vznik plastických deformací, po kterých se trvale změní axiální poloha věnce kola vůči náboji kola. K zamezení těchto deformací se proto musí předepisovat přípustné tlaky na nápravu, které zejména u kol pro nákladní železniční vozy nejsou dostatečné.

Dalším známým tvarem kola je řešení zvonového kola dle patentu DE 3117572, kde deska kola je tvořena pravidelnou křivkou ve tvaru zvonu a má konstantní tloušťku. U tohoto kola však zůstávají zachovány nevýhody předchozích řešení, výhodou je nižší hmotnost kola a vyšší únosnost radiálního zatížení a odolnost proti axiální deformaci.

Známá jsou i kola s přesazením desky kola, což znamená, že vetknutí osy desky kola do náboje kola a do věnce kola je od sebe axiálně vzdáleno o určitou hodnotu. Řešení snižuje zbytkové pnutí, které způsobuje opakovaný ohřev a ochlazování kola v provozu, nevýhodou je však značný termoelastický osový posun kola, který způsobuje změnu rozkolí.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje železniční kolo, které se otáčí kolem své osy, sestávající z věnce kola s okolkem, desky kola a náboje kola, kde průřez desky kola se nachází podél střednice, která probíhá mezi prvým bodem ležícím v místě přechodu desky kola do věnce kola, bodem, kteiý představuje inflexní bod střednice a druhým bodem ležícím v místě přechodu desky kola do náboje kola, jehož podstata spočívá v tom, že body střednice desky kola se nacházejí každý na jiné straně střední roviny, která je kolmá na osu otáčení kola a prochází přes střednici v inflexním bodě a přes šířku věnce kola, přičemž poměr mezi kolmou vzdáleností druhého bodu od střední roviny a kolmou vzdáleností prvého bodu od střední roviny je větší než jedna a prvý bod se nachází na stejné straně střední roviny jako okolek věnce kola.

Výhodné je provedení železničního kola, kdy úseky střednice desky kola jsou tvořeny oblouky kruhů nebo křivkami třetího stupně a rovněž je výhodné, když tloušťka desky kola podél střednice je konstantní nebo se plynule zmenšuje počínaje druhým bodem až k prvému bodu,

-1 CZ 8688 Ul případně se plynule zmenšuje od druhého bodu k inflexnímu bodu, od kterého je pak až k prvému bodu konstantní.

Výhoda tohoto železničního kola je v tom, že i při kombinaci tepelného a mechanického zatížení, které je při provozu kol zejména bržděných špalíkem pravidlem, se minimalizuje jak tepelné, tak zároveň i mechanické pnutí. Významně se snižuje hlavně zbytkové pnutí, které vede ke vzniku trvalých plastických deformací, což umožňuje zvýšit zatížení na nápravu až na hranici 25 tun, které je výhodné zejména u nákladních vozů. Konstrukce snižuje i tahová napětí ve věnci kola, čímž se snižuje možnost vzniku trhlin ajejich rozvoje vedoucí k lomu kola. Nezanedbatelnou výhodou je i nižší hmotnost kola.

Přehled obrázků na výkresech

Na výkrese je ve svém příčném řezu znázorněna polovina železničního kola.

Příklad provedení

Železniční kolo sestává z věnce 1 kola s okolkem 6, desky 2 kola, náboje 3 kola, přechodu 4 desky 2 kola do věnce 1 kola a přechodu 5 desky 2 kola do náboje 3 kola. Střednice desky 2 kola je vytvořena z úseku AY, který je tvořen kruhovým obloukem o poloměru R5 a z úseku BY, který je tvořen kruhovým obloukem o poloměru R6 a na střednici leží inflexní bod Y, kterým prochází střední rovina O kolmá na osu XX otáčení kola. Prvý bod A střednice desky 2 kola leží na stejné straně střední roviny O jako okolek 6 věnce 1 kola v místě přechodu 4 desky 2 kola do věnce i kola, druhý bod B pak leží na opačné straně střední roviny O než prvý bod A v místě přechodu 5 desky 2 kola do náboje 3 kola a poměr kolmé vzdálenosti druhého bodu B od střední roviny O ke kolmé vzdálenosti prvého bodu A od střední roviny Oje 1,614. Tloušťka desky 2 kola se rovnoměrně zmenšuje od druhého bodu B k inflexnímu bodu Y, od kterého má až do prvého bodu A konstantní tloušťku.

Průmyslová využitelnost

Železniční kolo lze využít pro všechny typy kolejových vozidel, zejména jej však lze s výhodou využít u nákladních železničních vozů.