DISEÑO DE CUNA DE FRICCIÓN OPTIMIZADA PARA ALTO MOMENTO DE FRICCIÓN POR DEFORMACIÓN Y BAJA FUERZA DE AMORTIGUAMIENTO
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está relacionada con 5 carretillas de vagón de ferrocarril de "tres piezas", y más particularmente con las cuatro cuñas de fricción que interconectan el plano de apoyo con la estructura lateral y proporcionan amortiguamiento de suspensión y rigidez por deformación. El momento de fricción por deformación, la
10 medida del momento de corte entre ejes necesaria para producir la deformación de la carretilla, es la característica principal que gobierna la rigidez por deformación de la carretilla, y es una característica que se sabe que es deficiente en las carretillas de tres piezas. Los
15 niveles de fuerza de amortiguamiento, por otro lado, se han podido locjrar en cualquier magnitud deseada, pero son un problema si son demasiado altos o demasiado bajos. La presente iivención enseña la relación deseada entre el ángulo de cuña de fricción, el coeficiente de fricción, la fuerza de
20 resorte de cuña, y la anchura de cuña para proporcionar una cuña de fricción que simultáneamente produzca un momento de fricción por deformación muy alto a infinito con una fuerza de amortiguamiento moderada a baja. Al incrementar el momento de fricción por
25 deformación, la rigidez de corte entre ejes más alta, o la
rigidez por deformación de la carretilla se puede lograr. La rigidez por deformación, es la característica principal de las carretillas de dos ejes que determina una estabilidad a altas velocidades y un rendimiento en las curvas con eje con grandes cargas . El momento de fricción por deformación estático, comúnmente descrito como el momento de fricción por deformación, es el par de fuerza de fricción, producido principalmente por la cuña de fricción, en resistencia a las fuerzas por deformación de la carretilla o las fuerzas de corte entre ejes. Se llama momento de fricción por deformación estático, debido a que el momento de resistencia producido por las cuñas es limitado por la fricción estática. Es el objeto de la presente invención incrementar la rigidez por deformación de la carretilla de tres piezas incrementando el momento de fricción por deformación a través de la optimización del diseño de cuña de fricción. En la presente invención, al simultáneamente ecualizar la fuerza de fricción por deformación con la fuerza de corte entre ejes máxima, y la fuerza de amortiguamiento a un porcentaje del peso sobre muelles, es posible lograr un diseño de cuña de fricción que resista la deformación de la carretilla, y mantenga un nivel seguro de amortiguamiento de suspensión. El uso de un par de ecuaciones simultáneas permite al ingeniero de diseño producir un diseño de cuña de fricción basada en el momento de fricción por deformación máximo y el índice de amortiguamiento deseado, en ves de basado en el índice de amortiguamiento por si solo. El resultado de las ecuaciones es un conjunto de parámetros para el diseño completo de una cuña de fricción y un resorte 5 lateral optimizado para la fricción por deformación y el amortiguamiento . En el servicio de transporte por ferrocarril de Norteamérica, las carretillas de vagones de transporte de tres piezas convencionales, que tienen dos conjuntos de
10 ruedas, han evolucionado para satisfacer una variedad de requerimientos económicos y de operación importante. Entre otros requerimientos, deben de ser capaces de soportar con seguridad, y ecualizar cargas de ruedas muy altas sobre un amplio rango de condiciones de camino mientras que
15 suministran un alto nivel de valor económico a los ferrocarriles que los usan. Además de aquellos criterios básicos, las carretillas y sus partes deben de ser intercambiables a través del sistema de redes de ferrocarril interconectada. Las carretillas de tres piezas que están en
20 servicio hoy en día han, hasta una gran extensión, cumplido con estos requerimientos, debido a que sus diseños generales son simples, flexibles, durables, y confiables. Sin embargo, en este proceso de evolución, un aspecto principal del diseño de la carretilla para la eficacia de rendimiento ha sido
25 ampliamente ignorado, el diseño del momento de fricción por
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deformación . Cuando una carretilla de tres piezas convencional soporta suficiente energía en el curso de uso normal, usualmente debido a la operación a alta velocidad, los 5 conjuntos de ruedas son forzados a moverse lateralmente con relación a la vía y con relación uno del otro provocando la inestabilidad conocida como "truck hunting" ("golpe de galope en carretillas") . La golpe de galope en carretillas es indeseable, debido a que provoca altas fuerzas laterales a
10 ser impartidas en el vehículo de rieles y su carga, y debido a que produce arrastre incrementado en la locomotora, dando como resultado una eficiencia reducida. De igual manera, cuando una carretilla de tres piezas convencional entra en un curva en el curso normal de su uso, los conjuntos de rueda
15 muy a menudo son forzados a moverse lateralmente con relación uno del otro dando como resultado una condición conocida como "truck warp" ("deformación de la carretilla") . La deformación de la carretilla es indeseable, debido a que provoca un alto ángulo de ataque que surge entre el conjunto de ruedas
20 principal y los rieles, dando como resultado altos índices de desgaste en los rieles y las ruedas. Ya sea el resultado de alta velocidad o de las curvas, el golpe de galope y la deformación de la carretilla generalmente se caracterizan por un desplazamiento lateral de los conjuntos de ruedas con
25 relación uno del otro, y un cambio de relación cuadrada de
las estructuras laterales con relación al plano de apoyo en una relación angular. Las pruebas realizadas en carretillas de vagones de transporte de tres piezas convencionales implicados en 5 descarrilamientos por cargas de eje pesadas han demostrado que una gran proporción de la rigidez de corte entre ejes que gobierna su rendimiento se puede atribuir a la conexión del plano de apoyo con la estructura lateral. Sin embargo, diseños actuales de está conexión tienen el problema
10 inherente que solamente proporcionan resistencia a movimientos no cuadrados entre las estructuras laterales y el plano de apoyo hasta el límite de la fuerza de rozamiento coulómbico que une estas conexiones. Modelos teóricos recientes, y pruebas de laboratorio han confirmado que el
15 momento de fricción por deformación es el factor determinante crítico en el rendimiento de carretillas de tres piezas. El diseño de conexión de la estructura lateral con el plano de apoyo de las carretilla de tres piezas generalmente se caracteriza por una cuña de fricción
20 configurada en triángulo recto en contacto con y contenido por una cavidad en el plano de apoyo por un lado, y una superficie vertical de la estructura lateral por el otro, y un muelle en el tercer lado. La conexión está compuesta de tres interfaces de soporte de carga: la Superficie de Asiento
25 de Muelle, la Superficie Inclinada, y la Superficie de
—.-ta^-j t ... ?.^? ...__b__t___t.___.__ Columna. Las superficies de cuña están orientadas en la configuración de un triángulo recto con el asiento de muelle y la superficie de columna orientados a un ángulo recto uno del otro, y la superficie inclinada orientada a un ángulo aguado con la superficie de columna. La cuña está orientada con la superficie de columna verticalmente para permitir el movimiento deslizante del plano de apoyo con relación a la estructura lateral debido a las fuerzas dinámicas del cuerpo del vehículo en rieles. La superficie inclinada de la cuña está soportada en la superficie inclinada de la cavidad del plano de apoyo, la cual actúa para dirigir la fuerza del muelle de la superficie de asiento de muelle dentro de la superficie de columna. Como resultado de la orientación y configuración de la cuña, un balance de fuerza se forma en la cuña de fricción, en las tres interfaces, que está gobernada por la posición y movimientos relativos del plano de apoyo con la estructura lateral. Tres balances de fuerza diferentes son posibles: el balance de fuerza de Tiempo de Compresión del muelle, el balance de fuerza de Tiempo de Descompresión del muelle, y el balance de fuerza de Acción de Deformación de la Carretilla. Los balances de fuerza de tiempo de compresión y descompresión son los balances de fuerza que describen las fuerzas de amortiguación de coulombio en la carretilla de tres piezas, y han sido utilizadas durante muchos años por
ingenieros de diseño para diseñar cuñas de fricción para amortiguamiento vertical. Estos dos balances de fuerza son gobernados por el ángulo de la cuña, la fuerza del muelle, y los coeficientes de fricción entre los materiales de la cuña y las superficies de columna e inclinada respectivamente. El balance de fuerza de acción de deformación describe las fuerzas que actúan en la cuña bajo condiciones de fuerza de corte entre ejes y toma su nombre de las fuerzas de deformación de la carretilla o de corte entre ejes que generan las fuerzas de cuña. Bajo acción de deformación, las fuerzas de fricción que de otra manera actúan en direcciones opuestas, actúan hacia arriba en la misma dirección, y unen la cuña entre la estructura lateral y la columna hasta el límite de las fuerzas de fricción estáticas en esas interfaces . El balance de fuerza de acción de deformación que describe las fuerzas de acción de deformación en la cuña es nuevo, y no ha sido descrito en la técnica anterior ni en la literatura publicada. Fue descubierto a través de un análisis de efecto de parámetro de los parámetros de balance de la fuerza de cuña. El objeto del análisis fue determinar el efecto en la fuerza de amortiguamiento de los parámetros de gobierno: ángulo de cuña, coeficiente de fricción, y fuerza de muelle , El análisis reveló la naturaleza exponencial de la fuerza de amortiguamiento con el ángulo de cuña y el
coeficiente de fricción. La asociación de este hecho con el hecho descubierto en las investigaciones de descarrilamiento de que las carretillas con ángulos de cuña más pequeños tenían menos probabilidades de descarrilamiento, llevó al descubrimiento de que un balance único de fuerza de fricción en la cuña debe existir bajo condiciones de fuerza de deformación de la carretilla. El análisis de parámetro expandido reveló el mismo tipo de relación exponencial del momento de fricción de deformación con el ángulo de la cuña y el coefieciente de fricción al igual que lo hizo el análisis de fuerza de amortiguamiento. Esto llevó al descubrimiento de que, aunque tanto la fuerza de amortiguamiento como la fuerza de fricción de deformación incrementaron exponencialmente con la disminución del ángulo de cuña y el incremento del coeficiente de fricción, la fuerza de fricción de deformación incremento mucho más rápidamente que la fuerza de amortiguamiento. Este hecho implicó la existencia probable de una combinación de ángulo de cuña y fuerza de muelle, que, dado cierto coeficiente de fricción produciría un diseño de cuña con un alto momento de fricción por deformación y una baja fuerza de amortiguamiento. La existencia probable de una combinación "óptima" de estos parámetros de balance de fuerza de cuña esenciales llevó al desarrollo de un modelo diseñado para determinar los valores de los parámetros por medio de entrada objetiva. Como
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resultado, un objeto de la presente invención es el modelo matemático derivado, y titulado "Method for the Desing of a Friction Wedge and Side Spring Optimized for Lateral Warp Friction Moment and Vertical Damping Forcé". ("Método para el Diseño de una Cuña de Fricción y Muelle lateral Optimizados para el Momento de Fricción por Deformación Lateral y Fuerza de Amortiguamiento Verical"). La esencia del modelo es el balance ce fuerza de acción de deformación combinado con el balance de fuerza de deformación de la carretilla, en un conjunto de ecuaciones simultáneas con el balance de fuerza de amortiguamiento por compresión. El modelo utiliza la siguiente entrada objetiva básica: Pnchura de cuña, coeficientes de fricción de cuña e índices de amortiguamiento; y pesos de vehículo ferroviario, dimensiones principales de la carretilla, placa central y coeficientes de fricción de soporte lateral, y coeficiente de fricción de riel. Esta entrada se puede dividir en dos grupos: Un grupo que describe las características de la cuña de fricción, y un grupo que describe las características de la carretilla en condiciones de vagón con carga y vacío. Aunque todos los parámetros de ambos grupos se definen objetivamente, un parámetro del grupo de cuña y dos parámetros del grupo de carretillas requieren cierta discreción al establecer sus valores para poder lograr la mejor solución optimizada posible. El coeficiente de fricción
de riel y el coeficiente de fricción de placa central (y soporte lateral) son los factores de activación primarios de las fuerzas de deformación de vagón con carga y vacío respectivamente y el índice de amortiguamiento es el factor 5 de activación principal de las fuerzas de amortiguamiento. Por lo tanto, estos tres parámetros están diseñados para ser determinados en base al nivel requerido de resistencia a la deformación y la fuerza de amortiguamiento para la aplicación de la carretilla. 10 Una vez determinados los parámetros de entrada básica, el modelo produce una solución en términos de cuña de fricción desconocida, y dimensiones de muelle lateral: Ángulo de cuña, altura de cuña, profundidad de cuña, y punto de trabajo; y diámetro de barra de muelle, diámetro exterior, y
15 altura libre respectivamente. Junto con la entrada así como la anchura de cuña, y altura sólida de muelle, la solución del modelo proporciona las dimensiones exactas para una cuña de fricción completa y un diseño de muelle lateral optimizado para producir una combinación predeterminada de momento de
20 fricción por deformación y fuerza de amortiguamiento. Además de proporcionar las dimensiones para estos diseños, el modelo también proporciona una solución exacta para el número y tipo de muelles de carga necesarios para diseñar un arreglo de suspensión completo que sea consistente con la solución de
25 diseño de muelle lateral y cuña.
^^gj ^^^ Como se mencionó anteriormente, este modelo está diseñado para determinar la solución de diseño de muelle y de cuña óptima para cualquier combinación de material de cuña, tamaño de la carretilla y carga de vagón. La entrada 5 discrecional se diseña para permitir que el ingeniero tenga la flexibilidad para ajustar los parámetros de entrada para producir la solución de diseño de muelle y de cuña deseada. Sin embargo, la entrada discrecional está basada en términos reales que tienen definiciones objetivas. Por lo tanto, una
10 solución de diseño de muelle y de cuña óptima se puede encontrar aplicando versiones objetivamente determinada de la entrada discrecional. Cuando esto se hace, y se permite cierta variación natural inherente en los parámetros de entrada, un patrón de diseño de cuña surge el cual tiene un
15 conjunto muy especial de rangos de parámetros de diseño esenciales . De todos los parámetros de diseño de cuña esenciales, el ángulo de cuña, por definición, es el más esencial, debido a que es la dimensión la que define la
20 configuración triangular de la cuña y tiene el mayor efecto de control sobre las fuerzas de fricción, de deformación y de amortiguamiento. El rango del ángulo de la cuña que emerge del caso de la entrada completamente objetiva se encuentra justo debajo del rango angular típico del diseño de cuña de
25 fricción. En combinación con una anchura de cuña suficiente,
-¿^¿3 -—*&*•->•«' •>- un coeficiente de fricción de cuña moderado y cierta fuerza de muelle, el ángulo de cuña más pequeño que el normal se convierte en una característica poderosa para producir una combinación de alto momento de fricción por deformación con 5 una fuerza de amortiguamiento baja a moderada en un diseño de muelle lateral y cuña de fricción. Dado este hecho, es el objeto de esta invención, además de las reivindicaciones del modelo del método de diseño, reclamar dos modalidades preferidas del muelle y cuña
10 de fricción diseñados con valores generalmente aceptados de la entrada objetiva descrita en esta solicitud. Las dos modalidades preferidas están para ser pareja de muelle y cuña que se diseñan según las soluciones determinadas por el modelo de método de diseño. El rango de diseño de par de
15 muelle y cuña será determinado por valores generalmente aceptados de variación de la entrada objetiva con respecto al modelo . La presente invención está relacionada con carretilles de vagones de transporte de tres piezas y en
20 particular con carretillas de vagones de transporte de tres piezas que incrementan la rigidez por deformación. Otro propósito de la invención es un diseño de carretilla de vagón de transporte que tiene rigidez de corte entre ejes incrementada mientras que limita las fuerzas de
25 amortiguamiento de coulombio a niveles moderados.
^¿¡^fe ..JÍJ - -•*- - Otro propósito de la invención es un método matemático para producir el diseño de un muelle lateral y una cuña de fricción que se optimizan para un momento de fricción por deformación suficiente de una fuerza de amortiguamiento limitada. Otro propósito de la invención es un diseño de carretillas de vagón de transporte con cuñas de fricción especialmente diseñadas, ya sea una cuña de una sola pieza o una cuña dividida de dos piezas, para incrementar la rigidez de corte entre ejes incrementando el momento de fricción por deformación que producen. Otro propósito de la invención es una cuña de fricción con un ángulo de cuña en el rango de 28° a 32° como se determina por el método de diseño descrito aquí. Otro propósito de la invención es un diseño de carretilla de vagón de transporte con muelles laterales especialmente diseñados para producir una magnitud óptima de fuerza en condiciones de vagón con carga y vacío para que el momento de fricción por deformación sea suficientemente alto mientras que la fuerza de amortiguamiento sea suficientemente baj a . Otros propósitos aparecerán en la especificación, dibujos y reivindicaciones DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se ilustra diagramáticamente en los
—* -..*»-,........ i H . *»»'" ••-.------.-.-.• siguientes dibujos en donde: La Figura 1 es una vista lateral de una carretilla de vagón de rieles ilustrando el diseño de la presente invención; la Figura 2 es una vista superior en sección horizontal, de la carretilla de vagón de rieles; la Figura 3 es una sección alargada ilustrando el plano de apoyo, la estructura lateral, la relación de cuña; las Figuras 4A, 4B, 4C 4D son vistas laterales y respectivamente una sección de una cuña de fricción mostrando las fuerzas aplicadas a ésta durante el uso de la carretilla; y las Figuras 5A, 5B, 5C y 5D son vistas laterales y respectivamente una sección ilustrando las fuerzas aplicadas a una cuña de fricción dividida durante su uso en una carretilla de vagón de rieles. La presente invención esta relacionada con carretillas de vagones de transporte y específicamente con una interfaz mejorada entre la estructura lateral y el plano de apoyo que mejorarán el rendimiento de la carretilla durante la operación en curvas y a alta velocidad. El diseño de la carretilla descrito aquí incrementará la rigidez por deformación o la rigidez de corte entre ejes o la resistencia a las fuerzas no cuadradas las cuales se aplican a la carretilla durante su operación. La interfaz mejorada es una
1 -•"--- - ' "*• ** " -«-....•>¿,-¿.a cuña de fricción y un mulle lateral de un diseño determinado por un método matemático para optimizar el balance entre el momento de fricción por deformación (rigidez por deformación) y la fuerza de amortiguamiento. Un conjunto de muelle lateral 5 y cuña de fricción de un diseño de este modo derivados es la modalidad preferida de esta invención. Una cuña de fricción de una configuración de diseño optimizado se combinan con un muelle lateral diseñado para impartir una fuerza óptima correspondiente a todos los
10 niveles de compresión para producir un momento de fricción por deformación suficientemente alto junto con una fuerza de amortiguamiento suficientemente baja para producir estabilidad lateral y vertical. Una cuña de fricción en forma triangular está soportada por debajo mediante uno o más
15 muelles de resorte colocados en el asiento de muelle de estructura lateral, y está retenida por arriba y por el lado mediante una superficie inclinada de cavidad de plano de apoyo y la columna de estructura lateral respectivamente. En una carretilla de vagón de transporte de tres
20 piezas convencional, la rigidez de corte entre ejes la cual controla el rendimiento de estabilidad y en curvas es contribuido en su mayoría para la conexión de la estructura lateral al plano de apoyo por medio de la cuña de fricción forzada por el muelle. El problema con el diseño actual de
25 esta conexión es que solamente proporciona rigidez de corte
entre ejes adecuados por medio de una resistencia de fricción de coulombio hasta una fuerza de umbral o de separación. A niveles de fuerza de corte entre ejes más altos que la fuerza de separación, la rigidez de corte entre ejes de la carretilla de tres piezas baja a menos del nivel adecuado para una buena estabilidad y curveo. En particular, la característica de resistencia de fricción está compuesta de dos modos de acción, fricción estática y cinética. El modo estático es caracterizado por una alta resistencia de rigidez al movimiento de oscilación por deslizamiento entre la estructura lateral y el plano de apoyo. El modo estático es sustancialmente más alto en la fuerza de resistencia de deformación y la rigidez de corte entre ejes que el modo cinético. El límite del modo estático está defirido como el momento de fricción por deformación, algunas veces denominado como el momento de fricción por deformación estático. El modo cinético está caracterizado por la resistencia impuesta mientras que gira la estructura lateral, en una manera deslizante, en oscilación con relación al plano de apoyo. A bajas velocidades, y bajo condiciones de curvas moderadas, el momento de fricción por deformación estático de las cuñas de fricción convencionales resisten efectivamente con relación al movimiento de oscilación entre la estructura lateral y el plano de apoyo. Sin embargo, a velocidades más altas, y bajo condiciones de curvas severas,
las fuerzas de entrada sobre activan el modo estático de resistencia de fricción, y provocan que las estructuras laterales se deslicen en movimiento de oscilación cinético con relación al plano de apoyo. Al incrementar sustancialmente el momento de fricción por deformación estático de la conexión entre la estructura lateral y el plano de apoyo, es posible dramáticamente incrementar la rigidez por deformación de la carretilla de vagón de transporte convencional . La presente invención proporciona un método matemático para el diseño de una cuña de fricción y un muelle lateral que sustancialmente incrementa el momento por fricción por deformación mientras que mantiene un nivel seguro de amortiguamiento de suspensión vertical. En el núcleo del método de diseño matemático se encuentra un par de balances de fuerza fundamentales para fuerza de fricción por deformación y la fuerza de amortiguamiento combinadas en un sistema de ecuaciones simultáneas para encontrar la combinación óptima del ángulo de cuña de fricción, y la fuerza de muelle lateral. En las Figuras 1 y 2, se muestra una carretilla de vagón de riel que incluye un par de estructuras 10 y 12 laterales conectadas por un plano de apoyo 14. Los muelles de carga diagramáticamente mostrados en 16 soportan el plano de apoyo en la estructura lateral y los extremos de las estructuras laterales están soportadas en baleros localizados
cerca de los extremos de los conjuntos de ruedas indicados generalmente en 18. La estructura descrita anteriormente es convencional en la técnica de ferrocarriles. Enfocándose particularmente en la Figura 3, el plano de apoyo 12 tendrá cavidades 20, en cada extremo de éste, habiendo dos de las cavidades en cada extremo del plano de apoyo. Las cavidades contienen las cuñas de fricción las cuales son el corazón del sistema de amortiguamiento descrito aquí. Las cuñas de fricción, como se muestran particularmente en las Figuras 3 y 4A a 4D tienen una cara 22 de columna c y una cara 24 inclinada con la cara 24 inclinada soportada contra la cara inclinada de la cavidad del plano de apoyo y la cara 22 de columna soportada contra la columna de la estructura lateral unida adyacente. El lado inferior de la cuña de fricción está soportado por un mulle lateral como es convencional en la técnica. El ángulo ? está formado en la unión de la superficies 22 y 24 y será descrito con detalle más adelante. La fuerza P ilustrada en las Figuras 4A a 4D es la fuerza de muelle lateral aplicada a la parte inferior de la cuña de fricción. El muelle lateral y el uso de dicho elemento es convencional en la técnica. Lo que no se ha reconocido hasta ahora en la técnica es la relación entre la fuerza P aplicada por el muelle lateral a la cuña de fricción y el ángulo ? formado entre las superficies de fricción de la cuña de fricción y que la relación entre estos dos parámetros
*-*»* - "**"»" ' - - '-"- --«*»-" - * -* w-3-n se puede optimizar para un momento de fricción por deformación alto y una fuerza de amortiguamiento baja. Las Figuras 5A a 5D muestran la misma aplicación de las fuerzas de la cuña de fricción como las Figuras 4A a 4D excepto que en este caso la cuña es la que se conoce como cuña dividida como se describe y reclama en la Patente Norteamericana No. 5,555,818 la cual pertenece al cesionario de la presente solicitud Standard Car Truck Company. La patente ?818 también ilustra el muelle lateral convencional para soportar la cuña de fricción y la descripción de esa patente se incorpora aquí por referencia. El núcleo del método de diseño empieza con tres modos de balance de fuerza de cuña de fricción. En el modo de tiempo de compresión, la fuerza de fricción de columna es dirigida hacia arriba, y la fuerza de fricción normal es dirigida hacia abajo. En el modo de tiempo de descompresión, la fuerza de columna es dirigida hacia abajo y la fuerza de fricción normal es dirigida hacia arriba. Los modos de tiempo de compresión son los balances de fuerza fundamentales para las dos direcciones de tiempo de amortiguamiento de suspensión hacia abajo y hacia arriba respectivamente. En el modo de acción por deformación ambas fuerzas de fricción son dirigidas hacia arriba para producir el efecto de balance de fuerza que produce el movimiento de fricción por deformación. La dirección hacia arriba de las fuerzas de
fricción actúan para retener la cuña de fricción en la cavidad contra la acción expulsora del componente vertical de la fuerza normal. Al retener la cuña de fricción en la cavidad, el modo de acción por deformación permite que la cuña de fricción actúe como una conexión muy rígida entre la estructura lateral y el plano de apoyo. Para la mayoría de los diseños de cuña de fricción, las fuerzas de fricción en la superficie de columna e inclinada limitan el balance de fuerza de acción por deformación al límite de la fricción estática. Una combinación del ángulo de cuña y los coeficientes de fricción del material determinan este límite. A medida que el ángulo de cuña de fricción disminuye, y se incrementai, el límite incrementa exponencialmente hasta el punto donde el momento por fricción por deformación es infinito. El modo de acción por deformación se genera en la cuña de fricción por cambios forzados en la relación de oscilación entre el plano de apoyo y la estructura lateral. Dichos movimientos de oscilación, los cuales son muy pequeños en magnitud cambian la relación angular de la columna de estructura lateral con relación a la superficie inclinada de cavidad de plano de apoyo. El cambio en la relación angular, a su vez, cambia la configuración del espacio disponible para la cuña de fricción de dicha manera como para inducir una acción de apriete en un lado de la cuña. La porción del balance de fuerza que ilustra la acción de apriete se muestra mejor en las Figuras 4B y 5D. En el diagrama, solamente dos fuerzas se muestran: la fuerza de columna y un sustituto equivalente, Rf_., para el componente en dirección x de las 5 fuerzas de inclinación, Nw y VNW. La fuerza de reacción de inclinación interior, R=fX, y la fuerza de columna, Cw, se muestran en este diagrama para ilustrar la conexión entre el balance de fuerza de acción por deformación en la cuña y los balances de fuerza por deformación en la estructura lateral y
10 el plano de apoyo. Las fuerzas de deformación en la carretilla de tres piezas se generan de dos maneras, por las curvas y por la inestabilidad lateral. En las curvas, los momentos opuestos se imponen en la carretilla por el cuerpo de vagón y la vía
15 como se muestra en el diagrama de las Figuras 1, 2 y 3. En la interfase del cuerpo del vagón, un momento de viraje se impone en la carretilla en la placa central y los baleros laterales debido a la fuerza de fricción deslizante de la rotación de oscilación de la carretilla. Este momento de
20 viraje es reaccionado en la vía por un momento de dirección y un momento de corte entre ejes, pero el momento de dirección se toma como cero para ilustrar el peor caso de deformación de carretilla. Los dos momentos restantes, de corte entre ejes y de viraje actúan uno contra el otro a través de la
25 carretilla para imponer un momento de deformación sobre la
^ ga^^ carretilla. En la inestabilidad lateral, la acción de deformación es generada en la vía tangente de su totalidad por los conjuntos de ruedas debido a los momentos de dirección en fase generados por las fuerzas de corrimiento rodantes. El balance de fuerza de deformación de la inestabilicad lateral no se ilustra, debido a que el efecto en las cuñas de fricción es esencialmente el mismo. El momento de deformación en la carretilla, ya sea debido a las curvas o la inestabilidad lateral, se reacciona por los pares de fuerza internos o momentos en los componentes de la carretilla. Las Figuras 1 y 2 ilustran la reacción de fuerza de deformación interna en la cuña de fricción. La Figura 3 ilustra la orientación de las fuerzas de reacción de deformación interna generadas por los momentos de deformación ilustrados en las Figuras 1 y 2. La fuerza mostrada como Cwc, la fuerza de columna crítica, se distingue de la fuerza de columna Cw, para poder ilustrar en que posición la fuerza es más alta y por lo tanto la fuerza de punto de separación. Un método convencional para medir las fuerzas externas y las deflexiones de la deformación de la carretilla es la prueba de tabla de deformación de la carretilla. En esta prueba, un eje de la carretilla se fija, y el otro eje se fuerza lateralmente de lado a lado con relación al eje fijo. La acción de deformación generada por esta prueba es de alguna manera diferente tanto del balance de fuerza por estabilidad lateral, debido a que la fuerza de la prueba impone un movimiento de viraje en el vagón que debe ser balanceado por el eje fijo en vez de por el plano de apoyo en la placa central. Como resultado de la diferencia de balance de momento, la posición de la fuerza de deformación crítica cambia del lado exterior de la cuña al lado interior. Para propósitos de determinar el momento de fricción de deformaciói, la relación entre el momento de deformación y el balance de fuerza de acción de deformación en la cuña de fricción no se afecta por diferencias en los balances de fuerza. Para los propósitos de medir el momento de fricción de deformación la prueba es adecuada y conveniente, debido a que el momento de fricción de deformación se puede calcular directamente de la fuerza de corte entre ejes de entrada multiplicando la fuerza de corte en el punto de separación por la base b de la rueda. La ecuación desarrollada para predecir el momento de fricción de deformación y para el modelo matemático de la invención se basa en este balance de fuerza. Las dos ecuaciones descritas aquí para la fuerza de deformación F, y la fuerza de amortiguamiento por compresión, Vcc, son las ecuaciones esenciales necesarias para determinar dos de los parámetros fundamentales del diseño de cuña de fricción, la fuerza P del muelle y el ángulo ? de la cuña. La
t""j-i" — • -** - combinación de estas dos ecuaciones en un sistema de ecuaciones simultáneas determinan P y ? tanto en condiciones de vagón con peso cargado y vacío. El sistema de ecuaciones, por el contrario, depende en un conjunto de parámetros de 5 entrada objetiva para encontrar una solución. Entre los parámetros de entrada, algunos son fijos, como el "Peso del Vagón", el "Tamaño de la Carretilla", "Propiedades del Muelle", "Propiedades de Interfaz de la Carretilla" y "Propiedades de Fricción de Cuña" y las otras están abiertas
10 a alguna discreción como la "Configuración de la Cuña", y el "Amortiguamiento de Suspensión e índices de Capacidad". El tamaño del vagón, el tamaño de la carretilla, y las propiedades de material predeterminan los parámetros fijos, poca a ninguna discreción existe para determinar estos
15 parámetros. Los otros parámetros, particularmente la anchura de cuña, ww, la elevación de cuña, R, y la fuerza de amortiguamiento por compresión en relación con los índices de peso sobre muelles ?w, son discrecionales debido a que se pueden ajustar para cumplir con los requerimientos de
20 rendimiento deseados por el ingeniero de diseño. También existen parámetros de entrada para la selección del grupo de muelles de carga. Esta sección está incluida en lugar de una altura e índice de muelle de carga agrupada para justificar la naturaleza discreta del grupo de muelle de resortes
25 múltiples. Como resultado, el diseño y fuerza de muelle
^. --t»l»--att?-t. --. . - -^ i «u««-. .---. , -^-a-SA^... . _.. .- » .. -jja -,.^..^ lateral se determinan en una proporción exacta con respecto al índice de muelle de carga discreta y las cantidades de capacidad y lugar de las cantidades óptimas exactas para estos parámetros. El propósito de este método es producir valores de diseño para un par de muelle lateral y cuña de fricción de tal manera que el par trabaje en conjunto para producir una resistencia a la deformación y de amortiguamiento suficiente en condiciones de desgaste para mantener la estabilidad del vagón bajo todas las condiciones de operación estándar. Como una condición del método, el ingeniero debe asegurar que los valores resultantes se puedan fabricar, y no excedan niveles razonablemente aceptables de un nuevo amortiguamiento de vagón . Entrada de Parámetro: Peso de vagón: Determinado por tipo de vagón y límite de carga GRL Cargado GRL Vacío Sin peso sobre Peso sobre Máximo Mínimo el Muelle Muelle vacío
Wma? Wmin W0s Ws.E=Wm?n- us Peso sobre Peso de conjunto Factor dinámico de
Muelle cargado: de Ruedas: vagón cargado: Ws. =Wmax_Wus W s Kd Tamaño de carretilla: Propiedades de Fricción de cuña: Determinadas por prueba Centros de Base de Coeficiente de
^^^^^ .ate-,,., e-, t-rnüm!. '"'--»"-'— "- - -fe Soporte Rueda amortiguamiento a b Xd Coeficiente máximo de Coeficiente máximo de deformación de columna deformación de inclinación ^iw µ2w Configuración de cuña: Determinada por el espacio disponible, y criterio de conservación de material/peso Anchura de Altura máxima Altura de borde cuña de cuña superior de cuña ww n w.max h ue Altura de borde Elevación Muelle lateral Altura de inferior de cuña de cuña a columna pie de cuña h le R h cs h wt
Propiedades de muelle lateral : Determinadas por las propiedades del material del muelle estándar
Módulos de Elasticidad: Estrés Sólido Corregido: G Gc t Propiedades de Interfaz de carretilla: Determinadas por las condiciones del peor caso Coeficiente de Radio de Coeficiente de Placa Central Placa Central Pedestal a cp r cp r p Brazo de Momento del Pedestal r p
» . - ..fea . t «t--—-t. i -» ¿ -..s^xt?*s u. -L ..- .. ^^a*,.t^-..^Ac»^¿- -, , Coeficiente de Radio de Punto Soporte Lateral de Soporte lateral u sb r sb Carga Máxima de Coeficiente de riel 5 Soporte Lateral con Vagón Vacío psb.L Pr Amortiguamiento de Suspensión e índices de Capacidad: Determinados por las fuerzas de amortiguamiento G permitidas máximas y mínimas 10 Fuerza de Amortiguamiento de Compresión a Capacidad de índices de peso sobre muelle-desgastado- Reserva Vacío-Cargado Desgastado ?c.W.E ?c.W.L. RCW 15 NOTA: La fuerza de amortiguamiento con relación al índice de peso sobre muelle equivale a la aceleración en g' s necesarios para romper la fuerza de fricción estática, y producir movimiento a través de la suspensión. Diseño de suspención de muelle de carga: Determinado por la
20 trayectoria de muelle deseada y la Capacidad de Reserva Muelle de Carga Exterior: Cantidad: Altura Libre: índice de Muelle: nos nos . f sos Muelle de Carga Interior: 25 Cantidad: Altura Libre: índice de Muelle:
¡¡a^^a^-.
nis nis . f S1S Tercer Muelle de Carga: Cantidad: Altura Libre: índice de Muelle: Desconocida nts.f sts Altura de muelle sólido: hs Fuerza de Fricción de Deformación y de Amortiguamiento
Requeridas - Condición Desgastada: Fuerza de Amortiguamiento de Compresión-Desgastada-Cargada :
Momento de Virado de Vagón Máximo - Desgastado - Cargado:
d
Fuerza de Fricción de Deformación Requerida-Desgastado-Cargado :
Fuerza de Fricción de Deformación de Pedesta Desgastado-Cargado: w v? max - w vv ws
Fuerza de Fricción de Deformación Máxima-Desgastado-Cargado :
"**"«' FwW.L-F'w.L~FpW.L Momento de Fricción de Deformación Máximo-Desgastato-Cargado : MW.L=FW.L-b=MtW-L Fuerza de Amortiguamiento de Compresión-Desgastado-Vacío:
5 Fuerza de Fricción de Deformación Requerida-Desgastado-Vació:
Fuerza de Fricción de Deformación de Pedestal-Desgatado- Vacío : W^ m• - wVY ws 1 " P'G P ' FP W.E" 5
Fuerza de Fricción de Deformación Máxima-Desgato-Vacío: FwW.E=FW.E"FpW.E 10 Momento de Fricción de Deformación Máxima-Desgastado-Vacío: .E=FW.E-b Ángulo de Cuña y Fuerza de Muelle - Vagón Vacío Dado el sistema de ecuaciones: Fuerza de Fricción de Deformación de Cuña - Vacío: -p (cos(?) + µ2w-sen(?)) 2a w WW>E"""2-'(µ Iw-cos(?) -µlwµ2wsen(?)i-µ2wcoS(?)-sen(?)) b-(a+ww)J
15 Fuerza de Amortiguamiento de Compresión Máxima Por
Suspensión-Vacío:
Encontrar la Fuerza de Muelle de Vagón Vacío y el Ángulo de Cuña : X=Find(P,?) 5 Fuerza de Muelle de Cuña de Vagón Vacío:
pss.W.E=x0 ngulo de Cuña de Vagón Vacío ?E=X? Los resultados analíticos de este método de diseño
10 han mostrado que para una resistencia de deformación maximizado y un amortiguamiento minimizado, las condiciones ideales para la mayoría de las operaciones de carretilla eficientes, el ángulo ? de la cuña de fricción, ya sea una sola cuña o la que se conoce como cuña dividida es de entre
15 28° a aproximadamente 32°. Este es generalmente un ángulo de cuña más pequeño de lo que hasta ahora se ha utilizado en sistemas de amortiguamiento del tipo mostrados aquí. Para un amortiguamiento más eficiente, pero hasta cierta extensión dependiente de los parámetros del vagón, la fuerza P deberá
20 estar entre aproximadamente 612.9 kilogramos (1350 libras) a aproximadamente 3314.2 kilogramos (7300 libras). Dentro de este rango, y dependiendo del tamaño del vagón, tipo y carga,
-a&i=Éfe^-gs, ^_ . t S.. -K? ,.&« - . „.. .,. . . __.... -..^ . . __, ^__,.__. __,, puede existir una variación pero la carga de muelle lateral deberá estar entre los valores establecidos . ?a que la forma preferida de la invención ha sido mostrada y descrita aquí, se deberá tomar en cuenta que pueden haber muchas modificaciones, sustituciones y alteraciones a ésta.
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