PL174209B1 - Jednolite koło jezdne dla taboru kolejowego - Google Patents

Abstract

1 . Jednolite kolo jezdne dla taboru kolejowego zlozone z piasty i z polaczonego z nia za posred- nictwem tarczy wienca, którego obwodowa po- wierzchnia zewnetrzna stanowi powierzchnie toczna, zas boczne powierzchnie czolowe, wspól- pracujace ze szczekami hamulcowymi, pelnia role powierzchni hamulcowych i sa zaopatrzone w pierscieniowe rowki, zmniejszajace przeplyw cie- pla z wienca do piasty, przy czym tarcza jest polaczona z piasta i z wiencem za pomoca lagod- nych luków, a grubosc tarczy jest znacznie mniej- sza od grubosci piasty i wienca, znamienne tym, ze grubosc tarczy (12) jest najwieksza w miejscu polaczenia jej z piasta (5) i maleje w kierunku wienca (11), przy czym boczne powierzchnie czo- lowe (8 i 9) wienca (11) maja czesc wewnetrzna, stanowiaca powierzchnie hamowania (4), oraz oddzielona, od niej za pomoca, pierscieniowego rowka (17, 18) czesc zewnetrzna. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest jednolite koło jezdne dla taboru kolejowego, złożone z piasty i z połączonego z nią, za pośrednictwem tarczy wieńca, którego obwodowa powierzchnia zewnętrzna stanowi powierzchnię toczną zaś boczne powierzchnie czołowe, współpracujące ze szczękami hamulcowymi pełnią rolę powierzchni hamulcowych i są, zaopatrzone w pierścieniowe rowki, zmniejszające przepływ ciepła z wieńca do piasty, przy czym tarcza jest połączona z piastę, i z wieńcem za pomocą łagodnych łuków, a grubość tarczy jest znacznie mniejsza od grubości piasty i wieńca.

Zespoły jezdne taboru kolejowego, utworzone przez zestawy kół i układ hamulcowy, określają, dopuszczalny nacisk na oś oraz maksymalną prędkość pociągu, pozwalającą na jego skuteczne hamowanie.

Powszechne zastosowanie maję, koła, których wieniec zewnętrzny z obwodową powierzchnią toczną jest połączony z piastą za pomocą tarczy, mającej w przekroju kształt zbliżony do litery S. Przez zastosowanie w wytwarzaniu kół jezdnych procesów kucia i tłoczenia, uzyskano jednolite koła jezdne, które, w porównaniu do używanych kół obręczowych, mają znacznie wyższą wytrzymałość, przy czym wspomniany kształt tarczy zapewnia im pewną elastyczność.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 1148577 znane jest obręczowe koło jezdne dla taboru kolejowego, złożone z piasty osadzonej na osi wózka i ze stanowiącej z nią, jedną całość tarczy, prostopadłej do osi i zakończonej u góry płaskim, obwodowym wieńcem oraz z nasadzonej skurczowo na ten wieniec obręczy, której zewnętrzna powierzchnia obwodowa stanowi

174 209 powierzchnię toczną. Obydwie boczne powierzchnie czołowe wieńca, współpracujące ze szczękami układu hamulcowego, pełnią rolę powierzchni hamulcowych koła. Zasadniczą wadą tych konstrukcji kół jest szybkie nagrzewanie się obręczy, będące wynikiem równoczesnej zamiany na ciepło pracy tarcia toczenia na powierzchni tocznej obręczy oraz pracy tarcia hamowania na jej bocznych powierzchniach czołowych, stwarzające po silnym nagrzaniu obręczy tendencję do jej zsuwania się z wieńca koła. Ponadto w miejscach połączenia tarczy zarówno z piastą jak i z wieńcem występuje ze względu na nagła zmianę przekrojów koncentracja naprężeń materiałowych, które w wyniku dodatkowego działania obciążeń termicznych mogą prowadzić do pęknięcia koła. Ponadto w praktyce eksploatacyjnej okazało się, że intensywne nagrzewanie się obręczy ma wpływ na zmniejszenie jej żywotności, zaś będąca wynikiem rozszerzalność koła zarówno w kierunku promieniowym, jak i w kierunku osiowym, łatwo powoduje odkształcenia zewnętrznej krawędzi koła, a więc jego zwichrowanie. Aby ograniczyć te niekorzystne zjawiska, niezbędne jest zmniejszenie prędkości jazdy oraz ograniczenie nacisku na oś.

Znane są również zespoły jezdne wyposażone w oddzielną tarczę hamulcową, mocowaną do osi niezależnie od koła, przy czym szczęki hamulcowe są dociskane z obydwu stron do powierzchni czołowych tarczy. Jednakże z uwagi na niezbędne wymiary tarczy, na której musi mieścić się odpowiednio duża powierzchnia hamowania, rozwiązanie to jest stosowane wyłącznie dla kół o dużej średnicy, przekraczającej 650 mm. Okazało się również, że wymaga ono bardzo precyzyjnego montażu, a przy dużych obciążeniach - stosowania kilku, przymocowanych do osi, równoległych tarcz hamulcowych, które muszą pomieścić się na osi między obydwoma kołami.

Jednym z wariantów tego rozwiązania jest zastosowanie do celów hamowania tarcz, stanowiących element koła i łączących jego piastę z wieńcem, który jest wówczas zaopatrzony wyłącznie w obwodową powierzchnię toczną. Przykład takiego rozwiązania jest opisany w niemieckim opisie patentowym nr DE 2457719. Opis ten dotyczy w zasadzie materiału do wytwarzania tego typu kół, a mianowicie różnych gatunków stali manganowej, lecz jego ilustracją jest jednolite koło, wytwarzane z tej stali przez walcowanie lub tłoczenie, a następnie wykańczającą obróbkę mechaniczną które złożone jest z piasty oraz ze stanowiącej z nią jedną całość tarczy, łączącej ją, z szerokim i grubym wieńcem. Powierzchnia obwodowa tego wieńca stanowi powierzchnię toczną natomiast środkowe, pierścieniowe części wzajemnie równoległych, bocznych powierzchni czołowych tarczy, które musza być prostopadłe do osi koła, pełnią rolę powierzchni hamowania.

Tarcza koła, która ze względu na zużycie musi mieć odpowiednio dużą grubość, pochłania największą część wydzielanej na jej powierzchni czołowej energii cieplnej, będącej wynikiem pracy sił hamowania. W celu wyeliminowania możliwości powstania koncentracji naprężeń w materiale tarczy, jest ona połączona zarówno z piastą, jak i z wieńcem, za pomocą łagodnych łuków.

Opisana konstrukcja nadaje się jednak wyłącznie dla kół o dużej średnicy (powyżej 650 mm), a ponadto w praktyce eksploatacyjnej okazało się, że przeciążenie termiczne tarczy, której grubość między powierzchniami hamowania została zmniejszona w wyniku zużycia, prowadzi zarówno do zmniejszenia wytrzymałości koła, jak i jego odkształceń. Przyczynia się do tego zwłaszcza fakt, że nagła zmiana wielkości przekroju w miejscu zużytej powierzchni hamowania, powoduje koncentrację naprężeń materiałowych, a w efekcie zwichrowanie koła.

Znane są również rozwiązania stosowane dla kół o niewielkiej średnicy, w których, podobnie jak w kołach obręczowych, wykorzystuje się jako powierzchnie hamowania dwie równoległe, boczne powierzchnie czołowe koła, do których dociskane są szczęki hamulcowe. Tego rodzaju koła jezdne mają zwykle stałą grubość, począwszy od piasty, aż do czołowych powierzchni bocznych. Okazało się jednak, że podczas hamowania w strefie docisku okładzin ciernych szczęk hamulcowych powstaje bardzo duża ilość ciepła, która ze względu na kształt koła i właściwości materiału, bardzo szybko przewodzona jest do piasty i łożysk, powodując ich rozszerzanie się, a tym samym pogarszając zamocowanie kół na osi.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0320616 oraz z brytyjskiego opisu patentowego nr GB 2182108 znane są sposoby ograniczenia przepływu ciepła z wieńca do piasty, polegające na zastosowaniu płytkiego rowka na powierzchni tocznej lub powierzchni bocznej koła, stwa4

174 209 rząjącego blokadę dla przepływu ciepła. Jednak również i to rozwiązanie nie dało zadawalających rezultatów, bowiem mała głębokość rowka w stosunku do grubości koła minimalnie tylko ogranicza przepływ energii cieplnej do piasty, powodując nagrzanie całej masy koła.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji koła jezdnego dla taboru kolejowego, która z jednej strony byłaby wytrzymałościowo dostosowana do przejęcia znacznych nacisków na oś oraz dużych sił hamowania, z drugiej zaś ograniczyłaby przepływ ciepła z wieńca do piasty, a tym samym możliwość odkształceń elementów koła przekraczających dopuszczalne granice.

Badania które doprowadziły do wynalazku wykazały, że dla jednolitych kół jezdnych, stosowanych w taborze kolejowym i złożonych ze stanowiących jedną całość: piasty, tarczy i wieńca, którego obwodowa powierzchnia zewnętrzna stanowi powierzchnię toczną a obustronne, boczne powierzchnie czołowe powierzchnie hamowania- odprowadzanie ciepła wywiązującego się w wyniku tarcia toczenia i tarcia hamowania jest w znacznym stopniu zależne od wielkości i kształtu osiowego przekroju tarczy, jak również od wielkości i kształtu obwodowych rowków na czołowych powierzchniach wieńca. Natomiast łukowe, łagodne połączenie tarczy z wieńcem eliminuje możliwość powstania koncentracji naprężeń materiałowych. Opracowana w wyniku tych badań konstrukcja koła jezdnego, opisanego wyżej rodzaju, w pełni zrealizowała przedstawiony cel wynalazku.

Koło jezdne według wynalazku charakteryzuje się tym, że grubość tarczy jest największa w miejscu połączenia jej z piastą i maleje w kierunku wieńca, przy czym boczne powierzchnie czołowe wieńca mają część wewnętrzną, stanowiącą powierzchnię hamowania oraz, oddzieloną od niej za pomocą pierścieniowego rowka, część zewnętrzną.

Wieniec koła ma wewnętrzną powierzchnię walcową do centrowania koła, połączoną z najwęższą częścią tarczy za pośrednictwem łuku oraz zaokrąglonego karbu.

Średnia grubość tarczy jest korzystnie mniejsza od połowy grubości wieńca, mierzonej między powierzchniami hamowania.

Tarcza i wieniec koła są przy tym symetryczne względem osi symetrii, prostopadłej do osi obrotu koła, albo też względem osi symetrii, nachylonej pod niewielkim kątem ostrym do prostopadłej do osi obrotu koła.

Łuk łączący najwęższą część tarczy z wewnętrzną powierzchnią walcową wieńca ma kształt elipsy.

Pierścieniowy rowek na bocznej powierzchni czołowej wieńca jest utworzony przez walcową, powierzchnię, której oś pokrywa się z osią obrotu koła oraz przez przecinającą się z nią stożkową powierzchnię.

Jak wykazały badania eksploatacyjne, rozwiązanie konstrukcyjne koła według wynalazku znacznie zmniejsza szybkość przewodzenia ciepła wytwarzanego w wyniku tarcia toczenia i tarcia hamowania od wieńca w kierunku piasty, pozwalając zwiększyć nacisk na oś bez przekraczania parametrów charakterystyki hamowania, którą musi spełniać tabor kolejowy. Ponadto okazało się, że koło jezdne według wynalazku zachowuje znaczną elastyczność, zaś będąca wynikiem jego symetrii geometrycznej - symetria hamowania sprowadza rozszerzalność cieplną koła do rozszerzania typu quasiradialnego, eliminując możliwość koncentracji naprężeń materiałowych, a tym samym możliwość zwichrowania koła.

Wynalazek jest bliżej wyjaśniony na rysunku, przedstawiającym jednolite koło jezdne dla taboru kolejowego, zwłaszcza dla wózka wozu silnikowego lub wagonu - w przekroju.

Jednolite koło jezdne szynowe 1 jest w znany sposób zamocowane na osi 2, na przykład jednej z osi wózka wagonowego. Składa się ono z piasty 5, z wieńca 11, znajdującego się w określonej odległości od osi obrotu 6 koła i zaopatrzonego w obwodową powierzchnię toczną 7 oraz w dwie boczne powierzchnie czołowe 8 i 9, współpracujące ze szczękami hamulcowymi 3 i tworzące powierzchnie hamulcowe 4. Piasta 5 koła 1 jest połączona z jego wieńcem 11 za pomocą tarczy 12, której średnia grubość nie przekracza połowy grubości wieńca 11 koła, mierzonej między powierzchniami hamowania 4. Tarcza 12 ma grubość zmniejszającą się w kierunku od piasty 5 do wieńca 11, przy czym jest połączona z tym wieńcem przez rozszerzającą się strefę przejściową 14. Łączna wysokość H, mierzona wzdłuż osi symetrii 13 tarczy 12 od krawędzi piasty 5 do krawędzi wewnętrznej powierzchni walcowej 16 wieńca 11, winna być

174 209 wystarczająco duża w stosunku do średnicy koła, tak aby mogła stanowić barierę cieplną, między wieńcem 11 a piastą 5.

Tarcza 12 koła jezdnego według wynalazku jest w swym przekroju osiowym symetryczna względem płaszczyzny tworzącej oś symetrii 13 i prostopadłej do osi obrotu 6 koła 1, przy czym ma kształt zwężający się w kierunku wieńca 11.

Odmiana rozwiązania koła jezdnego według wynalazku może mieć tarczę 12 symetryczną względem osi symetrii 13, nachylonej pod niewielkim katem do prostopadłej do osi obrotu 6 koła 1. Kształt i wymiary tarczy 12 tworzą strefę pośrednią utrudniającą przewodzenie ciepła wywiązującego się na powierzchniach hamowania 4 wieńca 11 w kierunku do piasty 5 koła. Istotną rolę, zarówno dla wyeliminowania przeciążeń termicznych tarczy 12 oraz polepszenia jej właściwości przewodzących, jak i dla wyeliminowania wzrostu naprężeń materiałowych w miejscu połączenia tarczy 12 z wieńcem 11, ma wielkość i kształt strefy pośredniej 14. Okazało się, że najwłaściwszym kształtem dla tej strefy pośredniej jest łagodny łuk 15, łączący tarczę 12, w jej najwęższym miejscu, z zaokrąglonym karbem wewnętrznej powierzchni walcowej 16 wieńca 11. Badania wykazały, że łuk 15 ma najkorzystniej kształt elipsy.

Między każdą, z bocznych powierzchni czołowych 8 i 9 wieńca 11 koła a lukiem 15 łączącym ten wieniec z tarczą 12 znajduje się wewnętrzna powierzchnia walcowa wieńca 11, która umożliwia centrowanie koła 1, przy jego mocowaniu w maszynie do regeneracji płaszczyzny tocznej. Ta powierzchnia walcowa 16 jest połączona z łukiem 15 za pośrednictwem zaokrąglonego karbu. Boczna powierzchnia czołowa 8 i 9 wieńca 11 dzieli się na pierścieniową cześć wewnętrzną stanowiącą powierzchnię hamowania 4 i współpracującą ze szczękami hamulcowymi 3 oraz - oddzieloną od niej za pomocą pierścieniowego rowka 17,18 - część zewnętrzną. Rowek 17,18 ma w przekroju kształt litery V i jest ograniczony walcowa ścianką 19, której oś pokrywa się z osią 6 obrotu koła i stożkową ścianką 20. Zastosowanie rowka w znacznej mierze przyczynia się do zmniejszenia ilości przewodzonego ciepła od powierzchni tocznej 7 do powierzchni hamulcowej 4 wieńca 11, a tym samym również ilości ciepła przewodzonego przez tarczę 12 do piasty 5 koła 1.

Wagon, wyposażony w koła jezdne według wynalazku, ma ponadto, nieuwidoczniony na rysunku, pneumatyczny lub hydrauliczny układ hamulcowy, którego szczęki hamulcowe 4, zaopatrzone w okładziny cierne, są po włączeniu hamulca, dociskane z obu stron do powierzchni hamowania 4, stanowiących wewnętrzną cześć bocznych powierzchni czołowych 8 i 9 wieńca 11 koła 1. Obustronne szczęki hamulcowe 3 i ich okładziny cierne mają korzystnie identyczny kształt i wymiary, zapewniając symetrię hamowania.

Koła jezdne według wynalazku mogą mieć również postać kół o małej średnicy, nie przekraczającej 650 mm.

174 209

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Jednolite koło jezdne dla taboru kolejowego złożone z piasty i z połączonego z nią za pośrednictwem tarczy wieńca, którego obwodowa powierzchnia zewnętrzna stanowi powierzchnię toczną, zaś boczne powierzchnie czołowe, współpracujące ze szczękami hamulcowymi, pełnia rolę powierzchni hamulcowych i są zaopatrzone w pierścieniowe rowki, zmniejszające przepływ ciepła z wieńca do piasty, przy czym tarcza jest połączona z piasta i z wieńcem za pomocą łagodnych łuków, a grubość tarczy jest znacznie mniejsza od grubości piasty i wieńca, znamienne tym, że grubość tarczy (12)·jest największa w miejscu połączenia jej z piastą (5) i maleje w kierunku wieńca (11), przy czym boczne powierzchnie czołowe (8 i 9) wieńca (11) mają część wewnętrzna, stanowiącą powierzchnię hamowania (4), oraz oddzieloną, od niej za pomocą, pierścieniowego rowka (17,18) część zewnętrzną.

2. Koło według zastrz. 1, znamienne tym, że jego wieniec ma wewnętrzną powierzchnię walcową (16), służącą, do centrowania koła, połączoną z najwęższą częścią tarczy (12) za pośrednictwem łuku (15) oraz zaokrąglonego karbu.

3. Koło według zastrz. 1, znamienne tym, że średnia grubość tarczy (12) jest mniejsza od połowy grubości wieńca (11), mierzonej między powierzchniami hamowania (4).

4. Koło według zastrz. 1 znamienne tym, że jego tarcza (12) i wieniec (11) są symetryczne względem osi symetrii (13), prostopadłej do osi obrotu (6) koła (1).

5. Koło według zastrz. 1, znamienne tym, że jego tarcza (12) i wieniec (11) są, symetryczne względem osi symetrii (13), nachylonej pod niewielkim kątem ostrym do prostopadłej do osi obrotu (6) koła (1).

6. Koło według zastrz. 2, znamienne tym, że łuk (15), łączący najwęższą część tarczy (12) z wewnętrzną powierzchnią walcową (16) wieńca (11), ma kształt elipsy.

7. Koło według zastrz. 1, znamienne tym, że pierścieniowy rowek (17 i 18) na bocznej powierzchni czołowej (8 i 9) wieńca (11) jest utworzony przez walcową powierzchnię (19), której oś pokrywa się z osią obrotu (6) koła oraz przez przecinającą się z nią stożkową powierzchnię (20).