用於軌道車轉向架的軸承適配器側架界面的製作方法

2024-01-20 00:14:15

本發明涉及軌道車轉向架中的軸承適配器與側架之間的界面。具體來說，本發明涉及軸承適配器的改善，其提供軸箱頂板與軸承適配器之間的摩擦降低表面部件的組合，並且還涉及適配器板設計，其提供軸箱鉗口與軸承適配器之間的改善的界面。

背景技術：

在北美使用了幾十年的常規軌道車轉向架一直是三件式轉向架，其包括由橫向安裝的承梁連接的一對縱向定向的平行側架。承梁通過彈簧組支撐在側架上。轉向架的輪副收納在放置於側架中的前和後軸箱鉗口中的軸承適配器中，以使得輪副的輪軸平行。軸承適配器準許對輪軸的輕微角度調整。軌道車安裝在承梁的中心板上，其允許轉向架相對於軌道車樞轉。彈簧組準許側架在某種程度上相對於承梁繞縱向軸線、豎直軸線以及橫向軸線移動。

在直線導軌上，具有平行側架和垂直於所述側架的平行輪軸的三件式轉向架(即，完全「正方形」轉向架)滾動，而不會在轉輪凸緣與軌道之間誘發橫向力。然而，在高速度下，導軌或設備中的微小擾動可能會導致稱為「擺動」的狀況，其描述使得軌道車在軌道上側向移動的輪副的振蕩式橫向移動。當振蕩達到共振頻率時，擺動可能是危險的。

彎曲導軌向標準三件式轉向架提出一組不同挑戰。在軌道車轉向架遇到轉彎時，轉輪在曲線外部上穿越的距離大於轉輪在曲線內部上穿越的距離，從而導致轉輪與軌道之間的橫向力及縱向力。這些轉輪力使得輪副在與所述轉彎相反的方向上轉彎。在硬度不足的轉向架上，此導致不同地稱為「翹曲」、「成平行四邊形移動」或「成菱形移動」的狀況，其中側架保持平行，但一個側架相對於其它側架向前移動。「成菱形移動」狀況能夠造成導軌及設備上的增大磨損，增大滾動阻力，且如果足夠嚴重會導致脫軌。

為了使擺動降到最低且提供具有協同轉彎能力的標準三件式轉向架，轉向架通常經設計以允許輪軸在轉彎期間的不平行狀況，所述狀況接著在直線導軌上恢復。這可通過準許軸承適配器在側架的軸箱鉗口內相對移動來實現。

為了改善拐彎性能，已知在側架與軸承適配器頂部之間插入彈性支承部件。所述彈性部件在直線導軌上準許側架維持與輪副的90度關係，而在彎曲導軌上允許輪副具有一定的移動自由度以響應於轉彎力脫離正方形關係且適應輪軸的非平行狀況。部件的彈性偏置轉向架以返回到其正方形位置。用以將彈性襯墊牢固地附接到側架軸箱鉗口的各種系統描述於先前技術中，包含第7,966,946號及第4,674,412號美國專利，其還含有與彈性襯墊相關的先前技術的一般描述。然而，與彈性襯墊相關的先前技術揭示內容未能恰當提供在縱向方向上與橫向方向上的不同彈簧應變率。

先前技術還有很多用於將軸承適配器牢固地維持在軸箱鉗口中的適當位置的系統。舉例來說，第5,503,084號美國專利描述一種具有用於使用系杆將軸承適配器固持在軸箱鉗口內的適當位置上的系統的轉向架，所述系杆延行穿過軸承適配器中的孔以防止軸承適配器可旋轉地移動。

第7,845,288號、第7,739,961號及第7,497,169號美國專利描述側架軸箱鉗口與軸承適配器之間的界面，且可包含剪切襯墊、耐磨板以及其它元件。

第3,844,226號美國專利描述一種用以減弱或降低引起橫向振蕩現象(「擺動」)的傳遞到側架的橫向力的系統，其中具有低摩擦係數的非金屬表面定位於軸箱鉗口與軸承適配器之間，從而允許輪副在每一方向上相對於轉向架側架側向移動，而不將力傳遞到大質量的轉向架部分。

以全文引用方式併入的第2014/0060380號美國專利申請公開案揭示，側架與輪副之間的相對於橫向方向在縱向方向上具有高彈簧常數的互連件有利於轉向架轉向及乘車性能。在特定實施例中，發現約20,000lb/in到約40,000lb/in的縱向彈簧常數及處於約3,000lb/in到約5,000lb/in範圍內的橫向彈簧常數產生優於先前技術的改善的結果。需要提供額外模式來實現這些性能目標。

技術實現要素：

本發明的一個目標是提供一種用以在軸箱鉗口與軸承適配器之間插入摩擦係數降低的界面的改善系統，其將減少低摩擦材料的冷流。

本發明的另一目標是在軸箱鉗口與軸承適配器之間提供摩擦係數降低的界面而不顯著影響轉向架的總高度。

本發明的又一目標是提供定位於軸承適配器與軸箱鉗口之間的適配器板以將彈性部件定向於縱向及橫向方向上。確切地說，本發明的目標是提供用於定向側架/軸承適配器界面中的單獨彈性部件以相對於側向方向允許在縱向方向上的較高彈簧常數的構件。

本發明的又一目標是通過組合定位於縱向及/或橫向方向上的彈性襯墊與適配器板而促進將彈性襯墊安裝在輪副/側架界面中，從而導致安裝較少組件。

本發明的這些及其它目標可通過根據本發明的界面實現，在一個方面中，其是針對定位於收納橫向安裝輪副的側架軸箱鉗口中的適配器界面。收納在軸箱鉗口中的輪副包括輪軸、轉輪及滾柱軸承。所述軸箱鉗口包括對置端壁、軸箱頂板及在所述對置端壁中的每一者上的推進凸耳。所述軸箱鉗口將軸承適配器收納在所述滾柱軸承與所述軸箱頂板之間。根據本發明的軸承適配器具有面向所述滾柱軸承的下部彎曲表面、面向所述軸箱頂板的上表面，及用於與所述軸箱鉗口端壁上的相應推進凸耳配合的對置插槽。所述軸承適配器的上表面具有凹部，其由所述凹部的周界上的至少一個凹部壁(且優選地，沿著所述軸承適配器的上表面的周界的連續凹部壁)界定。所述凹部收納摩擦降低的表面部件，所述摩擦降低的表面部件具有一定厚度、面向所述軸箱頂板的上表面、在所述軸承適配器的所述凹部中的下表面，及突出於所述凹部壁上方的所述厚度的一部分。

在另一方面中，本發明是針對定位於軸箱頂板與軸承適配器之間的經修改適配器板。所述適配器板具有面向所述軸箱頂板的水平表面以及收納在所述軸承適配器的相應插槽中的第一支腿及第二支腿。所述第一支腿及所述第二支腿各自具有垂直於側架的縱軸的表面。在實施例中，垂直於所述側架的所述縱軸的表面中的一者或多者支撐彈性襯墊。在實施例中，所述第一支腿及所述第二支腿具備垂直於所述側架的橫向方向的至少一個延伸表面，所述延伸表面可支撐第二彈性襯墊。

附圖說明

圖1為軌道車轉向架的側視圖。

圖2為軸承適配器及收納在軸承適配器中的摩擦降低的表面部件的等角視圖。

圖3描繪根據本發明的實施例的收納在軸承適配器上的適配器板。

圖4描繪根據本發明的另一實施例的適配器板及軸承適配器組合件。

具體實施方式

本文中的方向及定向是指軌道車在使用中的正常定向。因此，除非上下文清楚地要求，否則，「縱向」軸線或方向平行於軌道，並且處於軌道車在導軌上以任一方向移動的方向上。「橫向(transverse或lateral)」軸線或方向處於垂直於縱向軸線及軌道的水平面上。術語「內側」意指朝向車輛的中心，並且可意指在縱向方向、橫向方向或兩者上的內側。類似地，「外側」意指遠離車輛的中心。「豎直」是上下方向，並且「水平」是平行於軌條的平面，包含橫向軸線及縱向軸線。轉向架在其轉輪在平行軌道上對準且輪軸彼此平行且垂直於側架時為「正方形」的。轉向架的「前」側意指轉向架在軌道車上的遇到轉彎的第一側；並且「後」側與前側相對。

「彈性體」及「彈性」是指具有彈性特性以使得其在受壓縮時施加恢復力的聚合材料。此些材料的實例包含(但不限於)熱塑性彈性體(tpe)，自然及合成橡膠，例如：氯丁橡膠、異戊二烯、丁二烯、苯乙烯-丁二烯橡膠(sbr)、聚氨基甲酸酯，及衍生物。

「硬度」是指彈性材料對變形的抗性，變形可由於施加壓縮力而出現。其取決於材料的特性，例如：延展性、剛度、可塑性、韌性及所施加應力。材料的硬度以硬度分級測量，其中a型用於較軟材料，且d型用於較硬材料。

「摩擦係數」意指兩個滑動表面之間的橫向與法向力的比率。除非上下文另外清楚地需要，否則「降低的摩擦係數」意味著摩擦係數與鋼鋼相比降低而無需潤滑，鋼鋼為軸箱頂板與軸承適配器之間的常規界面。

在本文中使用時，「軸承適配器」為裝配在側架的軸箱鉗口中的零件。軸承適配器的一個側彎曲以與具有輪軸的滾柱軸承嚙合，且另一側裝配在軸箱鉗口中。通常，推進凸耳從軸箱鉗口的豎直側壁突出，且與軸承適配器上的插槽配合以將軸承適配器維持在適當位置且對於軸承適配器與軸箱鉗口之間的相對移動範圍提供限制。

側架與軸承適配器之間的「互連件」是指在側架與軸承適配器之間接觸且傳遞力(或減小力的傳遞)的任何部件。

根據本發明的軌道車轉向架包含多個大體上相同的元件，例如兩個側架、兩個輪組、四個轉輪，等。在本文中應理解，本文中對一個元件的描述用以描述所有此些大體上相同的元件。

美國鐵路協會(「aar」)在標準m-976中闡述了用於鐵路轉向架的標準。標準m-924具體闡述了與軸承適配器相關的標準。對aar標準的參考是指在本申請案的申請日時有效的標準。術語「行業標準」通常是指一個或多個aar標準，除非上下文清楚地另有要求。

在本發明的第一方面中，一種改善的軸承適配器界面包含在軸承適配器的頂表面中的凹部以保持摩擦係數降低的表面部件。

圖1描繪轉向架10的側視圖，其包含側架12，所述側架具有軸箱鉗口13及側架窗11、收納承梁20。滾柱軸承16、軸承適配器22(在圖2中的分解圖中示出)、轉輪14及輪軸一起形成收納在軸箱鉗口13中的輪副。參考圖2，軸承適配器22的彎曲底表面23嚙合滾柱軸承16，且軸承適配器22的平坦上表面24面向軸箱頂板21。如此項技術中已知，耐磨板(未示出)可定位在與軸箱頂板的界面處。

圖2提供根據本發明的一個實施例的在軸承適配器22與側架12之間的界面的分解圖，其中軸承適配器22包括彎曲底表面23、平坦上表面24，及在軸承適配器22的前側及後側上用於收納定位在軸箱端壁上的推進凸耳的插槽25。此外，軸承適配器22在平坦上表面上具備由凹部26的周界上的至少一個凹部壁29界定的凹部26。凹部26防止摩擦降低的表面部件27移動超出凹部壁29。凹部26可從現有軸承適配器或鑄件加工而成。凹部壁29包含沿著凹部的每一側且沿著每一縱向端的至少一部分以保持摩擦係數降低的部件。優選地，凹部壁29為大體上連續的壁，沿著凹部的大體上整個周界具有均勻高度以允許負載均一地分布，由此使不規則變形及摩擦係數降低的部件27的冷流減到最小。在所示實施例中，凹部壁29圍繞凹部26的外圍大體上連續。在此上下文中，「大體上連續」意味著壁中的任何中斷不應影響凹部壁固持摩擦降低的表面部件27及跨越界面區域分布負載的能力。

凹部26優選地經形成以便使摩擦係數降低的表面部件27的表面積最大。舉例來說，在不修改標準適配器的總體大小及形狀的情況下，aar標準k類適配器允許約35英寸(5.5英寸乘6.375英寸)的最大尺寸。然而，可通過更改aar標準適配器而獲得較大界面表面積。在本文中使用時，標準k類適配器為滿足aar標準m-924尺寸規格的適配器。

凹部26收納摩擦降低的表面部件27以在軸箱頂板(或耐磨板)與軸承適配器之間提供降低的摩擦係數。優選地，與軸箱頂板接觸的降低的摩擦表面提供小於或等於0.4、更優選地小於或等於0.25、更優選地小於或等於0.1並且更優選地小於或等於0.08的摩擦係數。本發明的一個優勢為軸承適配器22的大上表面24允許降低大面積上的摩擦係數以便減小法向應力。

摩擦降低的表面部件27經選擇以提供降低的摩擦係數且同時展現良好耐磨性，以使得界面處的低摩擦表面在一段時間內保持可操作。這些可能是競爭性的屬性。在實施例中，至少摩擦降低的表面部件的頂表面包括選自由以下各者組成的群組的材料：聚四氟乙烯、石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼、氮化鈦、氮化鉻、碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、w-c:h類金剛石碳塗層、almgbi4、鉻、銀鍍層、鋅鍍層、鋅合金鍍層、鎳鍍層、熱氣霧劑、油脂，及油。優選地，摩擦降低的表面部件為包括以下材料中的一者或多者的塊體：聚四氟乙烯(ptfe)、ptfe纖維、樹脂、編織織物及工程塑膠，其可與此項技術中已知的功能添加劑一起包含在內以向聚合物組成物賦予所需特性。這些材料還可以接合至金屬或複合襯底。。優選地，摩擦降低的表面部件並不具有超彈性，其與超彈性材料相比不大可能經受剪切。常規適配器襯墊材料具有超彈性。

在將部件放置在軸箱鉗口與適配器之間時，必須要謹慎以不顯著增大轉向架的高度。aar標準對於軌道車的高度強加了嚴格的尺寸公差，且即使是轉向架高度的小的變化也可能會在一個零件與另一零件的互操作性中造成問題。在本發明的實施例中，從滾柱軸承16的頂部到軸箱頂板21的距離維持為儘可能接近於aar標準，即，小於標準軸承適配器的約1.25英寸及耐磨板的額外厚度。優選地，收納在軸承適配器的凹部中的摩擦降低的表面具有處於約0.1英寸到約0.5英寸的範圍內的厚度，且收納摩擦降低的表面的凹部具有處於約0.05英寸到約0.4英寸範圍內且優選地為約0.15英寸到約0.35英寸的深度，從而以將允許摩擦降低的表面的最小冷流或變形同時使摩擦降低的表面的實用時間(在其磨損導致軸承適配器的鋼或鐵部分與軸箱頂板或耐磨板之間的接觸之前)最大的方式保持摩擦降低的表面。摩擦降低的表面的厚度的約20％到約80％可朝向軸箱頂板突出於凹部壁的最高點上方。在摩擦降低的表面的厚度的小於20％從凹部突出的情況下，突出部分可能磨損得過快，從而導致金屬與金屬接觸。在相反極端，如果摩擦降低的表面的厚度的大於80％從凹部突出，那麼凹部可能不會恰當地容納部件，從而導致摩擦降低的部件的變形。因此，優選地，突出於凹部壁上方的厚度部分在40％到60％的範圍內以獲得不同設計參數之間的平衡。

包含凹部26的適配器界面可進一步包括定位在凹部的周界上的犧牲部件。所述零件一方面由比鋼或軸承適配器的材料軟的材料製成，而另一方面比聚四氟乙烯或摩擦降低的表面部件的材料更好地變形。這包含(但不限於)例如黃銅、塑料及軟金屬合金等材料，以使得如果摩擦降低的表面在使用期間磨損，那麼犧牲零件接觸軸箱頂板或耐磨板，且在金屬與金屬以增大的摩擦係數(例如軸承適配器與軸箱頂板的摩擦係數)直接接觸之前磨損掉。在所示實施例中，犧牲部件採用罩籠28的形式，封閉形狀的連續壁圍繞凹部26的周界而放置。優選地，所述罩籠具有約0.1英寸到約0.2英寸的厚度及小於摩擦降低的表面部件的厚度的高度。優選地，摩擦降低的表面部件的厚度的約10％到約50％朝向軸箱頂板突出於罩籠壁上方，由此在軸承適配器與軸箱頂板之間維持降低的摩擦係數以增大摩擦降低的表面部件的磨損壽命，同時優化對冷流的抗性。

罩籠28需要在豎直方向上的彈性，以使得罩籠28不會顯著促成與軸箱頂板(或耐磨板，視具體情況)的摩擦。可向在凹部中位於罩籠28下方的可壓縮材料281(例如彈性體或泡沫)提供低豎直剛度。

在前文中，摩擦降低的表面部件27描繪為抵靠著軸箱頂板21。此項技術中還已知在軸承適配器與軸箱頂板之間設置耐磨板。並有如上文所描述的摩擦降低的表面部件的軸承適配器22還可以與在軸承適配器與側架之間插入於軸箱頂板21處的耐磨板配合使用。

在另一方面中，根據本發明的軸承適配器界面包括適配器板以相對於轉向架側架隔離且更好地控制軸承適配器上的縱向及橫向彈簧力，以優化轉向及穩定性。適配器板還可以用來容納摩擦係數降低的表面部件27。

圖3描繪根據本發明的這一方面的實施例，其包含嚙合軸承適配器22的適配器板37。在一個布置中，適配器板37包含鄰接軸箱頂板21的頂表面30，及嚙合軸箱頂板的橫向邊緣的頂部側壁31。頂部側壁31提供防止軸承適配器在橫向方向上過度移動且添加旋轉剛度的硬止擋件。適配器板37提供表面，彈性襯墊33、35可定位於所述表面上以分別控制界面在縱向及橫向方向上的彈簧應變率。適配器板的上表面30可配備有橡膠減振器(未示出)，優選地1/8英寸或更小，充當懸掛裝置以使上表面30上的負載分布均等，使負載的局部集中降到最低且減少或防止對摩擦係數降低的表面部件27的損壞。適配器板對置表面30的水平表面可經拋光或處理以降低因與摩擦係數降低的表面部件27接觸而造成的摩擦。在實施例中且不作為限制，與摩擦係數降低的表面部件27接觸的表面可拋光到#8(鏡)表面光潔度(約4到5微英寸rms)。

在其它實施例中，摩擦係數降低的表面部件27可定位於適配器板上方。舉例來說，在圖4中所示的布置中，經修改適配器板371具備鄰接摩擦降低的表面部件27的頂表面30。摩擦降低的表面部件27定位於經修改適配器板371與軸箱頂板21之間。常規耐磨板還可以插入於軸箱頂板21與摩擦係數降低的表面部件27。在此布置中，經修改適配器板371可包含實際上類似於結合先前實施例所描述的凹部的凹部38，在先前實施例中，凹部26設置於軸承適配器的頂板上。如在先前實施例中，凹部可進一步配備有定位於凹部的周界上的犧牲部件，且尺寸經選擇以使得從滾柱軸承16的頂部到軸箱頂板21的距離維持為儘可能接近於行業標準。如在先前實施例中，可設置薄橡膠減振器元件(未示出)以降低摩擦降低部件27上的磨損。因此，摩擦降低的表面部件及適配器板(37，371)一起可認為是適配器板組合件，且橡膠減振器可定位於適配器板組合件上方或下方。

儘管適配器板37的幾何形狀不同於根據不同實施例的經修改適配器板371，但在每一情況下，第一及第二支腿32大致垂直於頂表面30且收納於軸承適配器22中的插槽25中。「大致垂直」意味著表面或元件可能不是相對於參考平面、元件或線完全垂直。此些變化可能是由於設計(例如，以促進安裝)或其它原因，且通常意味著從90°度角度的角度變化小於5度。適配器板37及經修改適配器板371兩者皆可認為是「適配器板」(在所述術語在本文中使用時)。然而，經修改適配器板371具有用於收納低摩擦係數材料的凹部且不具有抗磨表面。表面上的彈性襯墊33可能會在將適配器板37安裝在軸承適配器22上的過程中預先偏置。在圖4的實施例中，類似襯墊39設置為背對軸承適配器22。優選地，兩個此種襯墊33、39在相應插槽25中設置於軸承適配器22的對置縱向側上。

延伸部分34從適配器板37縱向延伸，從而呈現大致垂直於側架12的橫向方向的表面。優選地，一對延伸部分34設置於每一支腿32的橫向側上，在縱向方向上延伸遠離支腿32。大致垂直的部件34與32可支撐不同硬度的彈性襯墊33與35，以隔離縱向與橫向剛度。

在圖3的實施例中，適配器板37的面向軸承適配器22、垂直於側架的縱向軸線的表面配備有彈性部件33。可能在安裝於軸承適配器上時被預先偏置的彈性部件33稱為「第一」彈性部件，但預期且優選地，相同的第一彈性襯墊33可且優選地定位於軸承適配器22的前側及後側上。優選地，設置定位於對置支腿32上、面向軸承適配器22的一對對置的預先偏置彈性部件。彈性部件33可由相對較硬(例如50duroa到75durod，優選地60到85duroa硬度)的彈性體(例如聚氨酯)製成，以提供相對剛性的縱向彈簧應變率。使部件33預先偏壓所需的變形取決於所需負載及所使用的彈性體。適配器板37的支腿32上的延伸部分34可在軸承適配器22的插槽25中配備抵靠橫向支承表面的橫向彈性部件35。定位為垂直於側架的橫向軸線的彈性部件35稱為「第二」彈性部件，應了解，可能存在且優選地存在定位於推進凸耳的每一橫向側上及軸承適配器22中的前及後插槽25中的多個第二彈性部件。彈性部件35由優選地具有最大95duroa硬度，並且更優選地具有最大80duroa硬度的較軟橡膠組成，以適應相對較軟的橫向彈簧應變率。在實施例中，支撐具有不同硬度的彈性襯墊的適配器板提供在30001b/in與5000lb/in之間的橫向彈簧常數及在20,000lb/in與40,000lb/in之間的縱向彈簧常數，且響應於所施加負載提供恢復力。

為了防止彈性襯墊的永久性變形，硬止擋件可定位在預先偏置的彈性部件附近。硬止擋件產生不能彎曲的表面，其在彈性襯墊受到壓縮時(例如在施加制動負載時)支承負載，所述表面用以限制彈性部件所經歷的偏轉量，由此使永久性變形或冷流減到最小。在圖3中所示的實施例中，金屬墊片361在適配器板37的前及後支腿32上在軸承適配器22與彈性襯墊33之間設置於插槽25中。在制動負載使得側架在縱向方向上抵靠軸承時，適配器板37與墊片361之間的硬止擋件36在彈性部件33的預定量的變形之後支承負載。本領域的普通技術人員將了解，定位在彈性部件附近的另一不能彎曲表面可以提供類似硬止擋件以防止襯墊變形。

前述優選實施例的描述不應視為限制本發明，本發明是根據所附權利要求書界定。憑藉前述公開內容，本領域的普通技術人員可以在不脫離所要求的本發明範圍的情況下實踐所述實施例的變體。舉例來說，儘管諸圖描繪符合aar標準m976的側架的特定配置，但本發明的實施例可配合其它轉向架設計加以利用。在不脫離本發明範圍的情況下，結合一個實施例或獨立權利要求描述的特徵或從屬權利要求限制性可以適於與另一個實施例或獨立權利要求配合使用。