Радиальная установка колёсной пары
Понятно, что для плавного вписывания колёсных пар тележки при небольших радиусах кривых в повороте нужно, чтобы колёсная пара занимала радиальное положение к центру поворота.
Однако, из-за параллельности осей подвижного состава при жёсткой закреплении их в раме тележки радиальную установку может иметь только одна колёсная пара в тележке.
А если колёсных пар в тележке много?
Одним из способов улучшения показателей вписывания железнодорожных экипажей в кривые, снижения угла набегания, работы сил трения, а, следовательно, и сильного износа колёс и рельсов является применение механизмов радиальной установки колесных пар (РУКП).
Существует два основных мероприятия по снижению износа гребней колес: уменьшение коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса (гребне- и рельсосмазывание) и уменьшение угла набегания направляющих колесных пар на наружный рельс за счёт пассивного или активного их поворота в раме тележки (радиальная установка колёсной пары).
Вот схема одной из первых систем РУКП.
В этой японской конструкции колёсные пары допускают определённый поворот в раме тележки, получая дополнительную степень свободы.
Для снижения виляния тележки в прямых сделаны демпферы.
Хотя, конечно, первые опыты управления колёсными парами проводились на своём уровне, как только появились колёсные повозки.
На сегодняшний день существует множество патентов на конструкторское исполнение тележек, в том числе и с системой РУКП.
Варианты трёхосной тележки.
Например, фирмами «General Motors» и «General Electric» запатентованы и построены два типа трёхосных тележек с пассивными механизмами радиальной установки колесных пар (РУКП), которые применены на указанных тепловозах.
Патент США для примера (центральная колёсная пара не показана).
Версия РУКП EMD, получившая обозначение HTCR, была сделана для локомотивов серии SD70 в 1993 году.
Однако фактическая эксплуатация тележек HTCR дала смешанные результаты–относительно высокие затраты на покупку и техническое обслуживание новых тележек
Покупатели предпочли стандартные.
Тележка с РУКП EMD HTCR на EMD SD70MAC.
GE представила свою версию РУКП в 1995 году в качестве опции для покупателя локомотивов серии AC4400CW и более поздних версий Evolution.
Однако случилось абсолютно тоже самое, и покупатели обычно выбирают стандартные тележки.
Тележка с РУКП GE на GE AC4400CW.
Так что в теории всё понятно, но на практике не всё так безоблачно, как пишут–удорожание конструкции и понижение её надёжности нивелирует снижение износа колпар и рельсов.
Реже встречается активная радиальная установка колёсных пар.
Тележка SIG Navigator.
Вот пример австрийского дизель-поезда Integral S5D95 с тележками активного РУКП.
Практически сейчас заменены на Alstom LINT из-за новых экологических требований.
В СССР первая опытная конструкция трёхосной тележки с механизмом РУКП была разработана и испытана Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом (ВНИКТИ) еще в 80-х гг. прошлого века.
В начале 90-х гг. тепловоз 2ТЭ10В с модернизированной конструкцией бесчелюстной тележки и механизмом РУКП конструкции ВНИКТИ проходил эксплуатационные испытания.
Испытания показали, что принцип пассивной радиальной установки колесных пар позволяет существенно снизить износ гребней колес тепловоза с трёхосными тележками.
Оригинальные конструкции трехосных тележек на уровне патентов были разработаны на Брянском машиностроительном заводе.
Во ВНИКТИ разработана конструкция унифицированной трехосной тележки с механизмом РУКП для грузовых и маневровых тепловозов.
Поводки 1, 7 крайних букс соединены с поперечными балансирами 2, 6 механизма РУКП.
К концам балансиров шарнирно присоединены тяги 3, 5, которые другими концами связаны с вертикальным двуплечим рычагом 4.
К удлиненному верхнему концу рычага присоединен гидравлический гаситель колебаний 8 механизма РУКП.
Сила тяги от рамы тележки к кузову передается через низкоопушенный шкворень.
Эта тележка применена на российском грузовом тепловозе с передачей переменного тока 2ТЭ25А «Витязь» , построенном на Брянском машиностроительном заводе.
Немного рекламы от ВНИКТИ.)
Относительно новая словацкая тележка Татравагонки с РУКП.
Тема для меня малоизученная, комментарии приветствуются.)
Гофрированные железнодорожные колёса
Есть ещё одна интересная конструктивная особенность пригородных электричек (и не только электричек, а вообще подвижного состава) в Японии–гофрированные колёса.
Такие колёса в настоящее время производятся в Японии для большинства железнодорожного подвижного состава.
Производит почти все колёса и оси для железнодорожного транспорта в Японии Nippon Steel (ранее Sumitomo Metal Industries).
Такая волнистая форма увеличивает жёсткость и уменьшает толщину центральной части колеса, что приводит к уменьшению его веса.
Что интересно, наткнулся я на них на одном русскоязычном сайте, когда искал информацию о тележках, вот с такой подписью.
Что-то не очень похоже на тележку синкансэна, подумал я и немного погуглил.
Гугл выдал, что тележки FS393 в основном принадлежат пригородным электричкам, например вот такой–линия Кобе, серия 2000 с максимальной скоростью 100 км / ч, хотя и на колее 1435 мм.
И похожих тележек много, например тележка Tobu Railway серии 6050 уже на узкую колею 1067 мм.
Тележка Sumitomo Minden FS-394.
Ещё интересно, что в основном для вагонов метро выпускают колёса с кольцом с резинкой, прикрепленным к внутренней окружности обода для демпфирования и уменьшения шума , возникающего при прохождении колеса в кривой.
Как я с трудом понял, работает это кольцо в качестве динамического демпфера.
Это, как ещё более с трудом понял, если к сильно резонирующей относительно плоской конструкции (например, стальной лист или крышку) приклеить жёсткую пластину с некоторым демпфирующим материалом между ними, то это приведёт к широкополосному шумоподавлению.
Да уж, если есть сведущие товарищи, объясните пожалуйста, я в акустике не в зуб ногой.)
Моторное гофрированное колесо.
Профиль гофрированного колеса.
Собственно, типоразмеры выпускаемой продукции (правда ещё есть тип С).
В заключение патент ВНИКТИ на бандажное колесо с шумопоглощением.
При качении колеса по рельсу вырабатывается вибрационный шум, энергия звуковой волны которого, проходя через прилегающий к поверхности диска 5 первый слой 6 крупнопористого эластомерного материала, имеющего высокий коэффициент звукопоглощения, многократно преломляется в каждой поре на границе раздела сред и далее многократно отражается от второго слоя 7 мелкопористого эластомерного материала, у которого коэффициент пропускания стремится к минимуму, а коэффициент отражения стремится к максимуму.
Вследствие преодоления внутреннего трения, возникающего при прохождении звуковой волны через границы раздела сред в порах звукопоглощающего материала первого слоя 6, энергия переходит из звуковой в тепловую (диссипация, рассеивание энергии), что обеспечивает эффективное шумопоглощение.
При этом эластомерный материал, примененный в обоих слоях, обеспечивает эффективное виброгашение.
Вообще, как я понял, мне ещё учиться и учиться.)
Мотор-колёса и поворот поезда
На протяжении многих последних лет конструкция традиционных колёсных пар подвижного состава железных дорог не претерпела принципиальных изменений.
Колёсная пара состоит из цельнометаллической оси и напрессованных на нее колес с конической поверхностью катания.
Как известно, на повороте внешнее колесо проходит больший путь, чем внутреннее.
Поэтому поверхность катания делают конической: на плавных поворотах колесные пары по инерции смещаются к внешнему рельсу, и колесо катится по нему той зоной, где его радиус больше.
Несмотря на свои преимущества, это решение не лишено недостатков.
Для колесной пары традиционной конструкции существует ограничение по минимальному радиусу проходимой кривой.
В кривой малого радиуса гребень колеса прижимается к внешнему рельсу, что сопровождается сильным скрежетом и проскальзыванием другого колеса колёсной пары.
В результате возникают повреждения поверхностей катания, увеличивается боковой и вертикальный износ головок рельсов, а также износ колёс.
Кроме того, приходится искать компромисс между жесткостью рессорного подвешивания и устойчивостью колесной пары, так как она склонна к вилянию, что негативно сказывается на динамических качествах подвижного состава и увеличивает износ рельсов.
Попытки применить колесные пары с независимо вращающимися колесами предпринимались и ранее, но без надежной системы управления гребни независимых колес легко входят в контакт то с наружным, то с внутренним рельсом.
В основе тягового привода Acti-Wheel — встроенный в ступицу колеса синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов.
Масса двигателя — 40 кг.
Поскольку необходимость установки редуктора между двигателем и колесом отсутствует, удалось снизить массу тележки почти на 2 т.
Система Acti-Wheel была испытана на переоборудованном вагоне, ранее эксплуатировавшемся на линии District лондонского метрополитена и ныне принадлежащем компании Vivarail.
Одновременно повышается эффективность торможения за счет того, что каждое колесо вагона обмоторено и управляется индивидуально.
Мотор-колёса со встроенными в них компактными двигателями позволяют разогнать поезд массой 40 т до скорости 140 км/ч и затем остановить его при помощи рекуперативного торможения.
Для подвижного состава с питанием от аккумуляторов это будет означать заметное увеличение пробега без подзарядки либо возможность установки аккумуляторов меньшей емкости, что способствует уменьшению суммарной массы подвижного состава.
Управление каждым колесом осуществляется независимо.
Для контроля положения колес относительно рельсов, радиусов кривых и других параметров колеса и тележки оборудованы датчиками.
На основании полученных от них данных компьютер вычисляет скорость, необходимую для того, чтобы каждое колесо сохраняло оптимальное положение относительно рельса.
При этом величина изменения скорости, как правило, незначительна, поэтому существенных изменений крутящего момента двигателей не требуется.
Технология Acti-Wheel–достаточно сложная система управления, а усложнение любой технической системы всегда повышает риск ее отказа.
Предложенная система пока находится в стадии экспериментов и не готова к широкомасштабному использованию.
Мощность двигателя не сообщается.
От себя добавлю, думаю, что большую мощность передать при небольших габаритах вряд ли возможно, а отказ от отдельной системы тормозов небезопасен.
Когда искал материал по мотор-колёсам для железной дороги, обнаружил, что таковые достаточно успешно применяются для современных трамваев, где и радиусы поворотов и нагрузки поменьше.
Да и вообще, есть много нестандартных решений компоновки тягового привода.
Тут тип привода – безредукторный, основанный на применении в данном случае тягового асинхронного двигателя типа мотор-колесо, использован при производстве трамваев семейства Variobahn(Variotram), выпускавшихся компаниями Adtranz/Bombardier, а несколько лет назад переданных для производства компании Stadler (Швейцария).
Безредукторный привод выполнен в виде трехфазного восьмиполюсного асинхронного двигателя мощностью 35…45 кВт цилиндрического исполнения с
внешним ротором, совмещенным с движущим колесом, и внутренним статором с
жидкостным охлаждением.
К недостаткам конструкции является увеличение неподрессоренной массы.
Хотя тут и ещё один плюс для трамваев–низкий уровень пола, который сейчас практически обязателен, поэтому и тележки современных трамваев смотрятся достаточно необычно с "железнодорожной" точки зрения.
Вот например Siemens Combino.
На тележке с обеих наружных сторон размещаются два групповых привода "один двигатель на два колесных центра", каждый со своей стороны.
Двигатели мощностью 100 кВт размещены продольно и с обеих концов передают момент на тяговые редукторы с коническими зубчатыми передачами, а те, в свою очередь, передают момент через упругие муфты на колесные центры.
К недостаткам привода относится более высокая сложность производства и ремонта, особенно в сравнении с непосредственным приводом, и, по сравнении с последним, также более высокий уровень шума.
Выступающие с боков тележки муфты могут быть легче повреждены при наезде на случайные предметы, оказавшиеся в габарите пути, что чаще случается на городской линии, особенно совмещенной с проезжей частью улицы.
Последним этапом, реализованным в 2004–2006 годах концерном Siemens, является создание трамвая серии ULF(Ultra Low Floor) с предельно низким уровнем пола (200…210 мм).
Отличительной особенностью трамваев данной серии являются одноосные тележки портального типа с независимо вращающимися колесами, расположенные между секциями трамвая.
Колесо с каждой стороны приводится отдельным двигателем, размещенным вертикально, через конический редуктор.
Отказ некоторых заказчиков от дальнейшего пополнения парка трамваями типа ULF в пользу вагонов более традиционной компоновки был объяснён сложностью технического обслуживания трамваев этого типа, из-за чего до четверти всего парка регулярно простаивало в ожидании ремонта.
Для передней и хвостовой секции была разработана система, при которой секция помимо тележки в сочленении опиралась на собственную одноосную тележку.
Кинематическая связь тележек была обеспечена рычажной передачей.
Вообще, тема обширная и интересная, с трамваями я практически не знаком (знакомлюсь в процессе), поэтому комментарии приветствуются.)
Тележка трамвая Cityrunner фирмы Bombardier.
В этом случае тяговый привод выполнен в виде мотор - колёс с планетарным редуктором для снижения габаритов и массы привода.
Колесный центр с подрезиненным бандажом представляет собой вращающийся цилиндрический корпус, опирающийся через пару конических роликовых подшипников на статор двигателя.
К корпусу также прикреплен тормозной диск.
Мощность двигателя 45 кВт, с жидкостным охлаждением.
перспективная тележка неосуществлённого проекта R1
Сможете найти на картинке цифру среди букв?
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi