ES2693103T3 - Rueda ferroviaria - Google Patents

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ES2693103T3
ES2693103T3 ES12858606.2T ES12858606T ES2693103T3 ES 2693103 T3 ES2693103 T3 ES 2693103T3 ES 12858606 T ES12858606 T ES 12858606T ES 2693103 T3 ES2693103 T3 ES 2693103T3
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Dmitry Evgenievich KERENTSEV
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Abstract

Una rueda ferroviaria que tiene un plano central (P) perpendicular a un eje (Z) de giro de la rueda que incluye una llanta (1) formada por una superficie de rodadura (2) y un reborde (3), e incluye también un cubo ( 4) y una banda (5) formados por superficies externa (6) e interna (7) y fabricados en una forma tal que una línea media teórica (8) de un perfil de banda transversal pasa a través de un primer punto (A) situado en un lugar de coincidencia de la banda (5) con la llanta (1), un punto central (C) donde la línea media teórica (8) tiene su desplazamiento máximo desde el plano central (P) en una dirección opuesta al reborde (3), y una segundo punto (B) situado en un lugar de coincidencia de la banda (5) con el cubo (4), donde una superficie externa (6) de la banda (5) se forma en un lado de la llanta por una primera curva radial externa (R1) y en un lado del cubo por una segunda curva radial externa (R2) con una curvatura que coincide en una dirección con la curvatura de la primera curva radial externa (R1), dichas curvas (R1, R2) coincidiendo entre sí en una parte central de la banda (5) por una tercera (R3), en el lado de la llanta, y una cuarta (R4), en el lado del cubo, curvas radiales externas con una curvatura opuesta en la dirección a la curvatura de la primera (R1) y segunda (R2) curvas radiales externas, mientras que una superficie interna (7) de la banda (5) se forma en el lado de la llanta por una primera curva radial interna (R5) y en el lado del cubo por una segunda curva radial interna (R6) con una curvatura que coincide con la dirección con la curvatura de la primera curva radial interna (R5), dichas curvas coincidiendo entre sí en la parte central de la banda por una tercera (R7), en el lado de la llanta, y una cuarta (R8), en el lado del cubo, curvas radiales internas con la curvatura opuesta en la dirección a la curvatura de la primera (R5) y la segunda (R6) curvas radiales internas, estando dicha rueda ferroviaria caracterizada por que los radios de la primera (R1) y la segunda (R2) curvas radiales externas para la superficie de la banda externa (6) son de 0,04 a 0,05 de un diámetro de rodadura, el radio de la tercera curva radial externa (R3) es de 0,08 a 0,1 del diámetro de rodadura, el radio de la cuarta curva radial externa (R4) es de 0,07 a 0,09 del diámetro de rodadura, y el radio de la primera curva radial interna (R5) para la superficie de banda interna (7) es de 0,08 a 0,1 del diámetro de rodadura, los radios de la segunda (R6) y la tercera (R7) curvas radiales internas son de 0,06 a 0,08 del diámetro de rodadura, el radio de la cuarta curva radial interna (R8) es de 0,04 a 0,06 del diámetro de rodadura, donde el primer punto (A) está desplazado a una distancia de no más de 0,08 de la anchura de la llanta (H) desde el plano central (P) en la dirección opuesta al reborde (3), el punto central (C) está desplazado del plano central (P) a una distancia dentro de un intervalo de valores de 0,35 a 0,4 de la anchura de la llanta (H), y el segundo punto (B) está desplazado a una distancia de no más de 0,1 de la anchura de la llanta (H) desde el plano central (P) hacia el reborde (3), mientras que la relación de un espesor de banda en el primer punto (T1) con respecto a un espesor de banda en el segundo punto (T2) es de 0,7 a 1,1 y una relación de un espesor de banda en el punto central (T3) con respecto al espesor de banda en el segundo punto (T2) es de 0,7 a 0,9.

Description

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DESCRIPCION
Rueda ferroviaria
La invencion se refiere a la ingeniena de transporte, en particular, al diseno de rueda ferroviaria.
Las ruedas ferroviarias utilizadas en los diferentes pa^ses tienen diferencias en el diseno que se asocian con las condiciones de operacion del material movil, los disenos de coches y locomotoras, as^ como con ciertas tradiciones desarrolladas en la produccion de conjuntos de ruedas y su operacion en el transporte ferroviario. Junto con eso, una rueda se compone, en cualquier caso, de tres partes principales: una llanta, un cubo y una banda.
La eleccion de la forma de una banda de rueda es la tarea mas importante para proporcionar las caractensticas basicas de rendimiento de la rueda, tales como el peso, la rigidez y capacidad de carga.
Las ruedas con bandas de diferente diseno son conocidas en la practica mundial, estando el diseno a menudo dictado por el tamano y una posicion mutua de la llanta con respecto al cubo. La presente invencion es para su uso en el sistema ferroviario europeo, donde lo mas ampliamente utilizado son ruedas estandar con perfil de banda tangencial, las denominadas ruedas ORE, que se utilizan actualmente para cargas de hasta 22,5 tnf por eje de un conjunto de rueda. Este diseno de rueda tiene altos niveles de tensiones bajo cargas termicas que surgen de la friccion de las ruedas contra las zapatas de freno, asf como cargas mecanicas que actuan sobre la rueda cuando se ejecuta en secciones curvas de la pista. Ademas, un inconveniente significativo de las ruedas ORE es su alto peso.
El diseno de la rueda ferroviaria de acuerdo con la patente DE 3 117 572 se conoce con una banda en forma de campana, donde la lmea media esta determinada por una funcion coseno, que ha recibido amplia difusion en los ferrocarriles europeos en cargas maximas de hasta 23,5 ton- fuerzas (tnf) por eje de un conjunto de rueda. El presente diseno tiene un peso mmimo entre todos los analogos conocidos. Sin embargo, con el fin de utilizar el presente diseno de la rueda para mayores cargas en el eje un aumento en el espesor de banda y las paredes del cubo se requiere, aqu se pierde la ventaja de menor peso de la rueda.
Una variante de la solucion de la presente problema se describe en la invencion EP 1 470 006 tomada como un prototipo de la presente invencion, donde el perfil transversal de la banda de rueda se encuentra alrededor de la lmea media teorica que pasa a traves de tres puntos caractensticos, mientras que el primer punto indicado en el lugar de coincidencia de la banda con la llanta y el segundo punto indicado en el lugar de coincidencia la banda con el cubo se encuentran en el mismo plano que es perpendicular al eje de giro de la rueda y desplazados del plano central hacia la superficie exterior de la llanta de la rueda. La distancia entre dicho plano y el punto central indicado de la lmea media teorica de la banda de rueda es como maximo 0,5 de la anchura de la llanta de la rueda. La ventaja de este diseno es la posibilidad de aumentar el espesor de banda en la zona donde coincide con el cubo, donde el nivel de tensiones causadas por las cargas mecanicas es alto, pero el peso de la estructura actual y el nivel de tensiones de las cargas termicas se incrementa considerablemente en comparacion con la rueda de acuerdo con la patente DE 3 117 572. Las ruedas del presente diseno no se utilizan ampliamente.
El resultado tecnico de la presente invencion se refiere a seleccionar la forma optima de la banda de rueda que puede proporcionar caractensticas de rendimiento mejoradas en ruedas ferroviarias, en concreto:
- el estado de baja tension de la rueda a partir de la accion de cargas de operacion;
- la posibilidad de uso en una carga maxima superior a 23,5 tnf por eje, asegurando al mismo tiempo el peso estructural mmimo entre todos los analogos conocidos;
- el bajo grado de deformacion lateral de la llanta de la rueda durante su calentamiento en el proceso de friccion contra las zapatas de freno y posterior enfriamiento.
El resultado tecnico se logra mediante una rueda ferroviaria que tiene un plano central perpendicular a un eje de giro de la rueda que incluye una llanta formada por una superficie de rodadura y un reborde, e incluye tambien un cubo y una banda formada por las superficies externa e interna y fabricados tal manera que una lmea media teorica de un perfil de banda transversal pasa a traves de un primer punto situado en un lugar de coincidencia la banda con la llanta, un punto central donde la lmea media teorica tiene un desplazamiento maximo desde el plano central en una direccion opuesta al reborde, y un segundo punto situado en un lugar de coincidencia de la banda con el cubo, donde una superficie externa de la banda se forma en un lado de la llanta por una primera curva radial externa y en un lado del cubo por una segunda curva radial externa con una curvatura que coincide en direccion con la curvatura de la primera curva radial externa, coincidiendo dichas curvas entre sf en una parte central de la banda por una tercera, en el lado de la llanta, y una cuarta, en el lado del cubo, curvas radiales externas con una curvatura opuesta a la direccion de la curvatura de la primera y segunda curvas radiales externas, mientras que una superficie interna de la banda se forma en el lado de la llanta por una primera curva radial interna y en el lado del cubo por un segundo radio de curvatura interno con una curvatura que coincide con la direccion de la curvatura de la primera curva radial interna, coincidiendo dichas curvas entre sf en la parte central de la banda por la tercera, en el lado de la llanta, y la cuarta, en el lado del cubo, curvas radiales internas con la curvatura opuesta a la direccion de la curvatura de la
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primera y la segunda curvas radiales internas, donde
los radios de la primera y la segunda curvas radiales externas de la superficie de la banda externa son de 0,04 a 0,05 el diametro de rodadura, el radio de la tercera curva radial externa es de 0,08 a 0,1 el diametro de rodadura, el radio de la cuarta curva radial externa es de 0,07 a 0,09 el diametro de rodadura, y el radio de la primera curva radial interna de una superficie de la banda interna es de 0,08 a 0,1 el diametro de rodadura, los radios de la segunda y la tercera curvas radiales internas son de 0,06 a 0,08 el diametro de la de rodadura, el radio de la cuarta curva radial interna es de 0,04 a 0,06 el diametro de rodadura, donde el primer punto esta desplazado a una distancia de no mas de 0,08 de la anchura de la llanta desde el plano central en la direccion opuesta al reborde, el punto central esta desplazado del plano central a una distancia dentro de un intervalo de valores de 0,35 a 0,4 de la anchura de la llanta, y el segundo punto esta desplazado a una distancia no superior a 0,1 de la anchura de la llanta desde el plano central hacia el reborde, mientras que una relacion de un espesor de banda en el primer punto hasta un espesor banda en el segundo punto es de 0,7 a 1,1 y la relacion de un espesor de banda en el punto central con respecto al espesor de banda en el segundo punto es desde 0,7 a 0,9.
Durante la operacion de las zapatas de freno, la rueda es capaz de absorber ciclos repetidos de carga termica de 55 kW durante 45 minutos sin ningun efecto adverso con respecto al grado de deformacion de la llanta cuando la llanta se calienta y se enfna despues. Ademas, la relacion del espesor de banda en el primer punto con respecto al espesor de banda en el segundo punto dentro de un intervalo de 0,7 a 1,1 y la relacion del espesor banda en el punto central con respecto al espesor de banda en el segundo punto dentro de un intervalo de 0,7 a 0,9, junto con la configuracion banda anterior, hacen posible reforzar las partes mas estresadas de la rueda en lugares donde la banda coincide con la llanta y el cubo, para proporcionar con ello la posibilidad de utilizar las ruedas a una carga maxima superior a 23,5 tnf por eje con el peso de la estructura siendo de un 5 a un 10 % menor que el de todos los analogos conocidos.
La seleccion de otros valores para radios de las curvas que forman las superficies externa e interna de la banda de rueda que tienen dicha configuracion, intervalos y direcciones de desplazamientos de los puntos caractensticos de la lmea media teorica de la banda desde el plano central, asf como las relaciones de espesores en estos puntos no permiten la realizacion de una combinacion optima del estado de baja tension del diseno de rueda bajo la accion de diversos tipos de cargas de operacion, el peso mmimo y el grado satisfactorio de deformacion de llanta lateral bajo carga termica.
La esencia de la invencion se explica siguiendo los dibujos y los diagramas, en los que:
la Figura 1 es una seccion radial de una rueda ferroviaria;
la Figura 2 es un diagrama para la estimacion comparativa de las propiedades mecanicas del diseno reivindicado
y de los disenos de la tecnica anterior de ruedas ferroviarias;
las Figuras 3a, 3b y 4a, 4b son diagramas para la estimacion comparativa de las propiedades termomecanicas
del diseno reivindicado y de los disenos de la tecnica anterior de ruedas ferroviarias.
La rueda ferroviaria mostrada en la Figura 1 tiene un plano central P perpendicular a un eje de giro Z de la rueda que incluye una llanta 1 formada por una superficie de rodadura 2 y un reborde 3, e incluye un cubo 4, y una banda 5 formados por superficies externa 6 e interna 7 y disenados de tal manera que una lmea media teorica 8 de un perfil transversal de la banda pasa a traves de un primer punto A situado en el lugar de coincidencia de la banda con la llanta 1, un punto central C donde el lmea media teorica 8 ha su desplazamiento maximo desde el plano central P en una direccion opuesta al reborde 3, y un segundo punto B situado en el lugar de coincidencia la banda 5 con el cubo 4. El plano central especifico P de la banda de rueda 5 pases a traves de la llanta 1 de la rueda en el lugar donde se mide un diametro de rodadura D.
La superficie externa 6 de la banda 5 se forma en el lado de la llanta 1 por una primera curva radial externa R1 y en el lado del cubo 4 por una segunda curva radial externa R2 con una curvatura que coincide en direccion con la curvatura de la primera curva radial externa R1, dichas curvas coincidiendo entre sf en una parte central de la banda por una tercera R3, en el lado de la llanta 1, y una cuarta R4, en el lado del cubo 4, curvas radiales externas con una curvatura opuesta a la direccion de curvatura de la primera R1 y segunda curvas radiales externas R2, y la superficie interna 7 de la banda 5 se forma en el lado de la llanta 1 por una primera curva radial interna R5 y en el lado del cubo 4 por una segunda curva radial interna R6 con una curvatura que coincide con la direccion de la curvatura de la primera curva radial interna R5,dichas curvas coincidiendo entre sf en la parte central de la banda 5 por una tercera R7, en el lado de la llanta 1, y una cuarta R8, en el lado del cubo 4, curvas radiales internas con una curvatura opuesta en la direccion de la curvatura de la primera R5 y segunda R6 curvas radiales internas.
El primer punto A esta desplazado a una distancia H1 de no mas de 0,08 de un anchura de la llanta H desde el plano central P en la direccion opuesta al reborde 3, el punto central C esta desplazado del plano central P a una distancia H2 de 0,35 a 0,4 de la anchura de la llanta H, y el segundo punto B esta desplazado a una distancia H3 de no mas de 0,1 de la anchura de la llanta H desde el plano central P hacia el reborde 3.
Una relacion de un espesor T1 de la banda 5 en el primer punto A con respecto a un espesor T2 de la banda 5 en el segundo punto B es de 0,7 a 1,1, y una relacion de un espesor T3 de la banda 5 en el punto central C con respecto
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a un espesor T2 en el segundo punto B es de 0,7 a 0,9.
De acuerdo con la invencion, la seleccion de una forma optima de la banda de rueda se realiza utilizando el analisis de elementos finitos de diferentes variantes de los disenos de acuerdo con las tecnicas descritas en la norma UIC 510-5 y en el informe UIC B 169/RP 17 que hacen posible determinar el estado de tension-deformacion de la rueda bajo la accion de las cargas mecanicas y termicas sobre todo cnticas durante la operacion.
Como resultado de los calculos realizados de acuerdo con los requisitos de la norma EN 13979-1, el diseno reivindicado, como se muestra en la Figura 2, tiene caractensticas de resistencia a la fatiga de la banda que son mejores en comparacion con los disenos de ruedas de finalidad similar VAZ14/324 y VAZ18/319, junto con el suministro de un peso estructural que es mas bajo por 7 y 19 kg, respectivamente
El analisis del estado de la tecnica realizado por el Solicitante que ha incluido la busqueda de patentes y fuentes de investigacion y tecnologfa de informacion y deteccion de fuentes que contienen datos sobre los analogos de la invencion reivindicada han mostrado que el Solicitante no ha encontrado un analogo caracterizado por las caractensticas identicas a todas las caractensticas esenciales de la invencion reivindicada.
En el proceso de determinacion de un prototipo de entre una lista de analogos detectados se identifico un conjunto de rasgos caractensticos esenciales de la Rueda ferroviaria reivindicadas con respecto a un resultado tecnico objetivo que se describen en las reivindicaciones.
Los resultados de la simulacion informatica de pruebas en banco durante la aplicacion de los frenos a las ruedas, como se muestra en las Figuras 3a, 3b y 4a, 4b y realizado de acuerdo con UIC B 169/RP 17, caracterizan el diseno reivindicado por el grado de deformacion lateral de la llanta y el nivel de tensiones en la rueda comparables con los de los analogos existentes.
El analisis de la tecnica anterior realizado por el Solicitante y que incluye la busqueda a traves de patentes y referencias cientfficas y de investigacion, y la deteccion de referencias que contienen informacion acerca de analogos de la presente invencion hacen posible establecer que el Solicitante no pudo detectar un analogo definido por las caractensticas adecuadas (identicas) a todas las caractensticas esenciales de la invencion reivindicada.
La definicion del prototipo de la lista de analogos detectados ha permitido la deteccion de la combinacion de caractensticas esenciales con respecto al resultado tecnico discernido en la "rueda ferroviaria" reivindicada e indicadas en el conjunto de reivindicaciones.
Los resultados de la busqueda han mostrado que la invencion reivindicada no aparecen explfcitamente para un experto a partir de la tecnica anterior determinada por el Solicitante, y no hay influencia de las transformaciones proporcionadas por las caractensticas esenciales de la invencion reivindicada despues de que se ha conseguido el resultado tecnico.
La invencion propuesta se puede utilizar para todos los modelos de vehuculos de instalaciones de transporte ferroviario que utilizan zapatas de freno, especialmente para vagones de carga de ferrocarril, vehfculos principales y locomotoras. Una buena consistencia de resistencia a la fatiga en las zonas cnticas de la rueda - en los lugares de transicion de la banda de rueda al cubo y a la llanta - permite el uso del presente diseno tambien para el transporte ferroviario, donde se utilizan frenos de disco en lugar de frenos de zapatas, como es el caso en lo que respecta a los turismos. De acuerdo con la invencion, una rueda se puede fabricar a partir de acero de cualquier calidad utilizado en la industria del ferrocarril, y producido de acuerdo con los requisitos y normas tecnicas bien conocidas por laminado, forja o fundicion.
Los estudios y pruebas teoricas de las ruedas ferroviarias con la configuracion de banda de acuerdo con el conjunto reivindicado de reivindicaciones con respecto a vagones de carga para el sistema ferroviario europeo han demostrado el cumplimiento de todos los requisitos de seguridad y la capacidad de proporcionar el nivel optimo de rendimiento de las ruedas. Esto demuestra el logro del resultado tecnico indicado por el Solicitante.

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una rueda ferroviaria que tiene un plano central (P) perpendicular a un eje (Z) de giro de la rueda que incluye una llanta (1) formada por una superficie de rodadura (2) y un reborde (3), e incluye tambien un cubo ( 4) y una banda (5) formados por superficies externa (6) e interna (7) y fabricados en una forma tal que una lmea media teorica (8) de un perfil de banda transversal pasa a traves de un primer punto (A) situado en un lugar de coincidencia de la banda (5) con la llanta (1), un punto central (C) donde la lmea media teorica (8) tiene su desplazamiento maximo desde el plano central (P) en una direccion opuesta al reborde (3), y una segundo punto (B) situado en un lugar de coincidencia de la banda (5) con el cubo (4), donde una superficie externa (6) de la banda (5) se forma en un lado de la llanta por una primera curva radial externa (R1) y en un lado del cubo por una segunda curva radial externa (R2) con una curvatura que coincide en una direccion con la curvatura de la primera curva radial externa (R1), dichas curvas (R1, R2) coincidiendo entre sf en una parte central de la banda (5) por una tercera (R3), en el lado de la llanta, y una cuarta (R4), en el lado del cubo, curvas radiales externas con una curvatura opuesta en la direccion a la curvatura de la primera (R1) y segunda (R2) curvas radiales externas, mientras que una superficie interna (7) de la banda (5) se forma en el lado de la llanta por una primera curva radial interna (R5) y en el lado del cubo por una segunda curva radial interna (R6) con una curvatura que coincide con la direccion con la curvatura de la primera curva radial interna (R5), dichas curvas coincidiendo entre sf en la parte central de la banda por una tercera (R7), en el lado de la llanta, y una cuarta (R8), en el lado del cubo, curvas radiales internas con la curvatura opuesta en la direccion a la curvatura de la primera (R5) y la segunda (R6) curvas radiales internas, estando dicha rueda ferroviaria caracterizada por que los radios de la primera (R1) y la segunda (R2) curvas radiales externas para la superficie de la banda externa (6) son de 0,04 a 0,05 de un diametro de rodadura, el radio de la tercera curva radial externa (R3) es de 0,08 a 0,1 del diametro de rodadura, el radio de la cuarta curva radial externa (R4) es de 0,07 a 0,09 del diametro de rodadura, y el radio de la primera curva radial interna (R5) para la superficie de banda interna (7) es de 0,08 a 0,1 del diametro de rodadura, los radios de la segunda (R6) y la tercera (R7) curvas radiales internas son de 0,06 a 0,08 del diametro de rodadura, el radio de la cuarta curva radial interna (R8) es de 0,04 a 0,06 del diametro de rodadura, donde el primer punto (A) esta desplazado a una distancia de no mas de 0,08 de la anchura de la llanta (H) desde el plano central (P) en la direccion opuesta al reborde (3), el punto central (C) esta desplazado del plano central (P) a una distancia dentro de un intervalo de valores de 0,35 a 0,4 de la anchura de la llanta (H), y el segundo punto (B) esta desplazado a una distancia de no mas de 0,1 de la anchura de la llanta (H) desde el plano central (P) hacia el reborde (3), mientras que la relacion de un espesor de banda en el primer punto (T1) con respecto a un espesor de banda en el segundo punto (T2) es de 0,7 a 1,1 y una relacion de un espesor de banda en el punto central (T3) con respecto al espesor de banda en el segundo punto (T2) es de 0,7 a 0,9.
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