PL210072B1 - Koło szynowe - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest koło szynowe, w szczególności wynalazek odnosi się do konstrukcji koła szynowego, które jest na stałe nieco zdeformowane w wyniku znacznych naprężeń termicznych i późniejszego chłodzenia w połączeniu z siłami obciążającymi koło, kiedy koło jest hamowane przez klocki hamulcowe.

Znane jest koło szynowe, złożone z trzech głównych części: piasty koła, wieńca koła i tarczy koła, przy czym tarcza koła zapewnia przejście od piasty koła do wieńca koła. Znane są w tej dziedzinie koła mające płaską tarczę koła. Jednakże najczęściej stosowane są lekkie koła z różnymi wygiętymi i wyprofilowanymi tarczami, przy czym kształt tarczy koła ma wpływ na odporność koła na mechaniczne i termiczne obciążenia.

Standardowe i wciąż najczęściej stosowane w kolejnictwie konstrukcje kół mają tarczę z profilem stycznym - są to tak zwane koła UIC-ORE. Koło takie może wytrzymywać wysokie temperatury wieńca koła. Jednakże jego wadą są duże naprężenia w wieńcu koła po ochłodzeniu i tworzenie plastycznych deformacji ze względu na niską elastyczność. Wady te istotnie ograniczają stosowanie większych obciążeń na oś, a dozwolone obciążenia są niedostateczne, szczególnie w odniesieniu do kolejowych wagonów towarowych.

Innym znanym i często stosowanym kołem szynowym jest koło skonstruowane w kształcie dzwonu według opisu patentowego nr DE 3 117 572. W tej konstrukcji, centralna linia koła, to jest jego oś, jest utworzona przez regularną krzywą, wyznaczoną przez funkcję cosinusową. W praktyce, trzy identyczne promienie krzywizny często przybliżają krzywą. W przypadku tego koła, zaletą jest mała waga koła i małe naprężenia szczątkowe w wieńcu, kiedy jest on chłodzony po hamowaniu. Jednakże, w celu zastosowania tej konstrukcji do większych nacisków na oś, takie koło musi mieć wzmocnioną tarczę koła, w wyniku czego konstrukcja traci swoją główną zaletę związaną z małym ciężarem, a ponadto poziom naprężeń szczątkowych w wieńcu koła zwiększa się, czemu towarzyszą większe deformacje wieńca koła względem piasty koła.

Wspomniane powyżej niedogodności są w zasadzie usunięte przez zastosowanie koła szynowego według niniejszego wynalazku mającego centralną tarczę prostopadłą do osi obrotu koła, które to koło zawiera wieniec koła utworzony przez powierzchnię jezdną i kryzę, tarczę koła i piastę koła, przy czym poprzeczny profil tarczy koła jest zgodny z teoretyczną linią centralną, która biegnie od pierwszego punktu, usytuowanego w miejscu przejścia, w którym tarcza koła przechodzi w wieniec koła, przez punkt centralny, który jest usytuowany po przeciwnej stronie płaszczyzny centralnej w stosunku do kryzy, w miejscu maksymalnego wygię cia osiowego tarczy koł a, do drugiego punktu, usytuowanego w miejscu, w którym tarcza koła przechodzi w piastę koła, przy czym koło szynowe charakteryzuje się tym, że pierwszy punkt i drugi punkt linii centralnej tarczy koła są usytuowane w jednej płaszczyźnie, która jest prostopadła do osi obrotu koła i jest odsunięta od płaszczyzny centralnej w kierunku zewnętrznej krawędzi wieńca koła, przy czym odległość między płaszczyzną a punktem centralnym linii centralnej tarczy koła jest maksymalnie równa 0,5 szerokoś ci wieńca koła, a ponadto poszczególne części linii centralnej tarczy koł a są utworzone przez krzywe trzeciego stopnia bądź są utworzone przez kołowe łuki tak, że odcinek od pierwszego punktu do centralnego punktu zawiera krzywą, mającą pierwszy zewnętrzny promień krzywizny i drugą krzywą, mającą pierwszy wewnętrzny promień krzywizny, przy czym w tym odcinku pierwszy wewnętrzny promień krzywizny jest większy niż pierwszy zewnętrzny promień krzywizny, zaś odcinek od drugiego punktu do centralnego punktu zawiera krzywą mającą drugi zewnętrzny promień krzywizny i krzywą mającą drugi wewnętrzny promień krzywizny, przy czym drugi wewnętrzny promień krzywizny w tym odcinku jest większy niż drugi zewnętrzny promień krzywizny.

Koło szynowe mające centralną płaszczyznę prostopadłą do osi obrotu koła, które to koło zawiera wieniec koła, utworzony przez powierzchnię jezdną i kryzę, tarczę koła i piastę koła, przy czym poprzeczny profil tarczy koła jest zgodny z teoretyczną linią centralną, która biegnie od pierwszego punktu, usytuowanego w miejscu przejścia, w którym tarcza koła przechodzi w wieniec koła, przez punkt centralny, który jest usytuowany po przeciwnej stronie płaszczyzny centralnej w stosunku do kryzy, w miejscu maksymalnego wygięcia osiowego tarczy koła, do drugiego punktu, usytuowanego w miejscu, w którym tarcza koła przechodzi w piastę koła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwszy punkt i drugi punkt linii centralnej tarczy koła są usytuowane w jednej płaszczyźnie, która jest prostopadła do osi obrotu koła i jest odsunięta od centralnej płaszczyzny w kierunku zewnętrznej krawędzi wieńca koła, przy czym odległość od płaszczyzny do centralnego punktu linii centralnej tarPL 210 072 B1 czy koła jest równa maksymalnie 0,5 szerokości wieńca koła, a ponadto poszczególne części linii centralnej tarczy koła są utworzone przez krzywe trzeciego stopnia lub są utworzone przez kołowe łuki tak, że odcinek od pierwszego punktu do centralnego punktu zawiera krzywą mającą pierwszy zewnętrzny promień krzywizny i drugą krzywą, mającą pierwszy wewnętrzny promień krzywizny, przy czym w odcinku tym pierwszy wewnętrzny promień krzywizny jest większy niż pierwszy zewnętrzny promień krzywizny, zaś odcinek od drugiego punktu do centralnego punktu zawiera krzywą mającą drugi zewnętrzny promień krzywizny i krzywą mającą drugi wewnętrzny promień krzywizny, przy czym drugi wewnętrzny promień krzywizny w tym odcinku jest większy niż drugi zewnętrzny promień krzywizny.

Korzystnie, płaszczyzna centralna tarczy koła jest utworzona przez kombinację kołowych łuków względnie krzywych trzeciego stopnia i liniowych odcinków, usytuowanych między wewnętrzną krzywą i zewnętrzną krzywą tarczy koła.

Korzystnie, wzdłuż linii centralnej tarczy koła grubość poprzecznego profilu tarczy koła jest stała bądź maleje proporcjonalnie, względnie według krzywej stożkowej, bądź krzywej trzeciego stopnia, począwszy od drugiego punktu i kończąc w pierwszym punkcie.

Korzystnie, wzdłuż linii centralnej tarczy koła grubość poprzecznego profilu tarczy koła maleje proporcjonalnie, względnie według krzywej stożkowej, bądź krzywej trzeciego stopnia, począwszy od drugiego punktu a kończąc w punkcie centralnym i jest następnie stała od centralnego punktu do pierwszego punktu.

Zalety rozwiązania według wynalazku wynikają również z tego, że centralna płaszczyzna tarczy koła biegnie przez wieniec koła w miejscu tak zwanego koła bieżnika, gdzie teoretycznie powierzchnia jezdna koła kontaktuje się ze środkiem główki szyny. Krzywa linii centralnej tarczy koła z pierwszym zewnętrznym promieniem jest usytuowana bliżej wieńca koła niż krzywa z pierwszym wewnętrznym promieniem, zaś krzywa z drugim zewnętrznym promieniem jest usytuowana bliżej piasty koła niż krzywa z drugim wewnętrznym promieniem.

Rozważając konstrukcję wagonu kolejowego na wózkach zwrotnych oraz luzy prowadzące i boczne luzy w zestawie kół wózka, maksymalne osiowe wygię cie tarczy koła jest korzystnie dobrane tak, że powierzchnia tarczy koła nie wystaje poza zewnętrzną krawędź wieńca koła. Korzystnie, koło jest zaprojektowane tak, że odległość od pierwszego punktu centralnej linii tarczy koła do osi obrotu koła mieści się w zakresie od 0,7 do 0,85 zewnętrznej średnicy koła szynowego, zaś odległość od drugiego punktu centralnej linii tarczy koła do osi obrotu koła mieści się w zakresie od 0,3 do 0,45 zewnętrznej średnicy koła szynowego.

W celu uzyskania najbardziej korzystnych wyników z punktu widzenia minimalnych deformacji, jest również zalecane utworzenie linii centralnej tarczy koła przez dwie pary identycznych wymiarowo części krzywych trzeciego stopnia lub łuków kołowych, tj. tak, że oba wewnętrzne promienie mają równe wielkości i oba zewnętrzne promienie mają również równe wielkości, przy czym w każdym z odcinków centralnej linii tarczy koła wielkość wewnętrznych promieni wynosi od 1,5 do 3,5 wielkości promieni zewnętrznych odcinka.

W kolejnym korzystnym przykł adzie wykonania koł a szynowego centralna linia tarczy koł a jest utworzona przez kombinację kołowych łuków lub krzywych trzeciego stopnia i odcinków linii prostej. Krótkie odcinki liniowe mogą być usytuowane w jednym lub w obu miejscach wzajemnych przejść między krzywiznami wewnętrzną i zewnętrzną kołowych łuków lub krzywych trzeciego stopnia.

Inny korzystny przykład wykonania koła szynowego przewiduje, że grubość poprzecznego profilu tarczy koła wzdłuż linii centralnej jest stała lub maleje równomiernie lub według krzywej stożkowej bądź krzywej trzeciego stopnia, począwszy od drugiego punktu do pierwszego punktu.

W korzystnym przykładzie wykonania koła szynowego grubość poprzecznego profilu tarczy koła wzdłuż centralnej linii tarczy koła maleje równomiernie lub według krzywej stożkowej bądź krzywej trzeciego stopnia od drugiego punktu do centralnego punktu, od którego jest dalej stała aż do pierwszego punktu.

Zaletą koła szynowego według niniejszego wynalazku jest to, że występują w nim bardzo małe wartości naprężeń stycznych w wieńcu koła i najniższe wartości szczątkowych deformacji plastycznych, przy zachowaniu optymalnej wagi koła. Umożliwia to stosowanie takich kół nie tylko do kolejowych wagonów towarowych, ale również do wszystkich kolejowych pojazdów z klockami hamulcowymi, działającymi na powierzchnię toczną, włącznie z pojazdami napędowymi i lokomotywami, gdyż możliwe jest obciążenie każdego koła siłą pionową do 15 ton metrycznych, co jest znacznie większą wartością niż dopuszczalne obciążenie obecnie używanych kół. Koło szynowe według wynalazku może być wykonane z dowolnej jakości stali, stosowanej w branży kolejowej i wytworzone według zna4

PL 210 072 B1 nych technicznych standardów przez walcowanie i kucie, lub przez odlewanie. Podczas hamowania przy pomocy klocków hamulcowych koło może absorbować powtarzalne cykle hamowania o mocy hamowania 55 kW przez 45 minut bez negatywnych konsekwencji odnośnie deformacji wieńca koła i wzrostu rozciągających naprężeń stycznych w wiecu koła, przy chłodzeniu wieńca koła po jego ogrzaniu w wyniku hamowania. Zatem nie powstaje zmiana prześwitu lub odległości między zestawem kół na osi, co zwiększa bezpieczeństwo podczas przejazdu przez rozjazdy i skrzyżowania i zmniejsza prawdopodobieństwo wykolejenia wagonu.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia jedną połowę koła szynowego według wynalazku w przekroju.

Koło szynowe według wynalazku w przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1 ma zewnętrzny promień R1 i zawiera wieniec 1 koła z powierzchnią jezdną 2 i kryzą 3, tarczę 4 koła, piastę 5 koła, pierwsze przejście 6 tarczy 4 koła do wieńca 1 koła i drugie przejście 7 tarczy 4 koła do piasty 5 koła. Wieniec 1 koła jest ograniczony przez zewnętrzną krawędź 8 oraz wewnętrzną krawędź 9 i ma szerokość H1. Na centralnej linii poprzecznego profilu tarczy 4 koła znajduje się pierwszy punkt A na promieniu R2, centralny punkt C na promieniu R3 i drugi punkt B na promieniu R4. Centralna linia tarczy 4 koła zawiera odcinek AC, który jest utworzony przez kołowy łuk, mający pierwszy zewnętrzny promień R5 i kołowy łuk, mający pierwszy wewnętrzny promień R6 i odcinek CB, który jest utworzony przez kołowy łuk, mający drugi wewnętrzny promień R7 i kołowy łuk, mający drugi zewnętrzny promień R8, przy czym wewnętrzne promienie R6 i R7 kołowych łuków mają tę samą wielkość i są większe niż odpowiadające im zewnętrzne promienie R5 i R8 kołowych łuków. Płaszczyzna P2 jest prostopadła do osi obrotu koła Z i jest odsunięta od centralnej płaszczyzny P1, która jest usytuowana w odległości H5 od wewnętrznej krawędzi 9 wieńca 1 koła i w odległości H2 od zewnętrznej krawędzi 8 wieńca 1 koła. Zarówno pierwszy punkt A jak i drugi punkt B centralnej linii tarczy 4 koła są usytuowane w płaszczyźnie P2. Odległość H4 między pierwszym punktem A i drugim punktem B centralnej linii tarczy A koła w płaszczyźnie P2 jest określona przez różnicę między promieniami R2 i R4, przy czym promień R2 jest równy 0,8 zewnętrznego promienia R1, zaś promień R4 jest równy 0,4 zewnętrznego promienia R1. Odległość H3 od płaszczyzny P2 do centralnego punktu C linii centralnej tarczy 4 koła jest określona tak, że płaszczyzna tarczy 4 koła nie wystaje poza zewnętrzną krawędź 8 wieńca 1 koła. Tarcza 4 koła ma grubość T2 w drugim punkcie B i grubość równomiernie maleje przez punkt centralny C, gdzie grubość jest równa T3 i dalej do pierwszego punktu A, gdzie grubość jest równa T1.

Koło szynowe, według wynalazku, wykazujące niski poziom naprężeń i deformacji może być stosowane we wszystkich modelach pojazdów szynowych z klockami hamulcowymi działającymi na powierzchnie jezdne, w szczególności w kolejowych wagonach towarowych, pojazdach napędowych i lokomotywach. Rozważając dobrą podatność w kierunku promieniowym i dostateczną wytrzymałość zmęczeniową w krytycznym miejscu koła, tj. w miejscu, gdzie tarcza koła przechodzi w piastę koła, można stosować tę konstrukcję koła również w pojazdach szynowych, gdzie zamiast klocków hamulcowych stosowane są oddzielne tarcze hamulcowe, co ma miejsce w wagonach kolejowych do transportu osób.

Wykaz oznaczeń odsyłających

1	wieniec koła
2	powierzchnia jezdna
3	kryza
4	tarcza koła
5	piasta koła
6	pierwsze przejście
7	drugie przejście
8	krawędź zewnętrzna
9	krawędź wewnętrzna
A	pierwszy punkt
B	drugi punkt
C	centralny punkt
AC	odcinek
CB	odcinek
H1	szerokość
H2	odległość
H3	odległość

PL 210 072 B1

H4	odległość
H5	odległość
P1	płaszczyzna centralna
P2	płaszczyzna
R1	promień zewnętrzny
R2	promień
R3	promień
R4	promień
R5	pierwszy zewnętrzny promień
R6	pierwszy wewnętrzny promień
R7	drugi wewnętrzny promień
R8	drugi zewnętrzny promień
T1	grubość
T2	grubość
T3	grubość
Z	oś obrotu

Zastrzeżenia patentowe

1. Koło szynowe mające centralną płaszczyznę prostopadłą do osi obrotu koła, które to koło

Claims (4)

1. Koło szynowe mające centralną płaszczyznę prostopadłą do osi obrotu koła, które to koło zawiera wieniec koła, utworzony przez powierzchnię jezdną i kryzę, tarczę koła i piastę koła, przy czym poprzeczny profil tarczy koła jest zgodny z teoretyczną linią centralną, która biegnie od pierwszego punktu, usytuowanego w miejscu przejścia, w którym tarcza koła przechodzi w wieniec koła, przez punkt centralny, który jest usytuowany po przeciwnej stronie płaszczyzny centralnej w stosunku do kryzy, w miejscu maksymalnego wygięcia osiowego tarczy koła, do drugiego punktu, usytuowanego w miejscu, w którym tarcza koła przechodzi w piastę koła, znamienne tym, że pierwszy punkt (A) i drugi punkt (B) linii centralnej tarczy (4) koła są usytuowane w jednej płaszczyźnie (P2), która jest prostopadła do osi obrotu (Z) koła i j est odsunięta od centralnej płaszczyzny (P1) w kierunku zewnętrznej krawędzi (8) wieńca (1) koła, przy czym odległość (H3) od płaszczyzny (P2) do centralnego punktu (C) linii centralnej tarczy (4) koła jest równa maksymalnie 0,5 szerokości (H1) wieńca (1) koła, a ponadto poszczególne części linii centralnej tarczy (4) koła są utworzone przez krzywe trzeciego stopnia lub są utworzone przez kołowe łuki tak, że odcinek od pierwszego punktu (A) do centralnego punktu (C) zawiera krzywą mającą pierwszy zewnętrzny promień krzywizny (R5) i drugą krzywą, mającą pierwszy wewnętrzny promień krzywizny (R6), przy czym w odcinku tym pierwszy wewnętrzny promień krzywizny (R6) jest większy niż pierwszy zewnętrzny promień krzywizny (R5), zaś odcinek od drugiego punktu (B) do centralnego punktu (C) zawiera krzywą mającą drugi zewnętrzny promień krzywizny (R8) i krzywą mającą drugi wewnętrzny promień krzywizny (R7), przy czym drugi wewnętrzny promień krzywizny (R7) w tym odcinku jest większy niż drugi zewnętrzny promień krzywizny (R8).

2. Koło szynowe według zastrz. 1, znamienne tym, że płaszczyzna centralna tarczy (4) koła jest utworzona przez kombinację kołowych łuków względnie krzywych trzeciego stopnia i liniowych odcinków, usytuowanych między wewnętrzną krzywą i zewnętrzną krzywą tarczy (4) koła.

3. Koło szynowe według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wzdłuż linii centralnej tarczy (4) koła grubość poprzecznego profilu tarczy (4) koła jest stała bądź maleje proporcjonalnie, względnie według krzywej stożkowej bądź krzywej trzeciego stopnia, począwszy od drugiego punktu (B) i kończąc w pierwszym punkcie (A).

4. Koło szynowe według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wzdłuż linii centralnej tarczy (4) koła grubość poprzecznego profilu tarczy (4) koła maleje proporcjonalnie, względnie według krzywej stożkowej, bądź krzywej trzeciego stopnia, począwszy od drugiego punktu (B) a kończąc w punkcie centralnym (C) i jest następnie stała od centralnego punktu (C) do pierwszego punktu (A).