Рессорное подвешивание

Колебания тепловоза при движении. Причинами колебаний тепловоза при движении по железнодорожному пути являются периодически повторяющиеся воздействия от неровностей пути, рельсовых стыков, изменения жесткости пути на различных его участках, неравномерного износа бандажей, наличия зазоров в буксовых узлах, искажений геометрической формы круга катания колес. Колебаниям подвержен как тепловоз в целом, так и его надрессорное строение (кузов, рама, рамы тележек) в отдельности.

В зависимости от характера перемещений различают следующие основные виды колебаний тепловоза в целом:

виляние - колебательные перемещения продольной оси тепловоза относительно оси пути в горизонтальной плоскости, связанные с поперечными перемещениями тележек в разных направлениях. Эти колебания являются причиной извилистого движения локомотива в рельсовой колее;

относ - поперечные перемещения локомотива в рельсовой колее при сохранении параллельности осей локомотива и пути (обе тележки перемещаются в одном направлении).

Колебания тепловоза в целом, как правило, носят несистематический характер, имеют невысокую частоту и зависят в значительной мере от состояния рельсовой колеи.

Колебания верхнего (надрессорно-го) строения тепловоза более часты и разнообразны. Упругие элементы в конструкции ходовых частей (рессоры) поглощают часть энергии, передаваемой при ударах со стороны пути. Поглощенная энергия преобразуется в колебания надрессорного строения. Основные виды колебаний надрессорного строения локомотивов следующие:

подпрыгивание (рис. 11.28, а) - вертикальные перемещения надрессорного строения. Плоскость рамы тепловоза при подпрыгивании остается параллельной плоскости пути;

продольная качка (рис. 11.28,6) - колебания локомотива в продольной вертикальной плоскости относительно горизонтальной поперечной оси;

поперечная (или боковая) качка (рис. 11.28, в) - колебания локомотива в вертикальной поперечной плоскости относительно горизонтальной продольной оси.

Колебания тепловозов увеличивают динамические нагрузки и существенно влияют как на прочность их конструкций, так и на устойчивость движения.

Смягчению динамических нагрузок, снижению частоты и гашению колебаний способствует применение в схемах передачи нагрузки на колесные пары упругих элементов, которые включаются между рамами тележек и буксами, а иногда, как об этом говорилось выше, и между кузовом и тележками. Совокупность упругих элементов, связанных с передачей вертикальных нагрузок в конструкции локомотивов, называется упругим, или рессорным, подвешиванием.

Назначение рессорного подвешивания. Вес рамы и верхнего строения тепловоза передается через упругие элементы - рессоры - на буксы колесных пар. Рессоры отдельных колесных пар в тележке составляют общую систему - рессорное подвешивание, в состав которого могут входить другие (жесткие) детали. Так, рессоры могут быть соединены между собой балансирами и подвесками для того, чтобы выравнивать и перераспределять нагрузки на отдельные колесные пары в случае перегрузки их во время движения.

Таким образом, назначение рессорного подвешивания состоит в том, чтобы передавать вес тепловоза на шейки колесных пар, равномерно распределять этот вес между осями всех колесных пар и смягчать ударные нагрузки, действующие на колеса со стороны пути.

Вес всех частей тепловоза, расположенных над рессорами (т. е. вес надрессорного строения), называется подрессоренным весом в отличие от неподрессоренного (в основном веса колесных пар с буксами), который передается на рельсы без амортизации. Особенно важна роль рессорного подвешивания в смягчении ударов, возникающих при про-

Тепловозы- основы теории Тепловозы- основы теории
Рис. 11.28. Колебания надрессорного строения тепловоза хождении стыков рельсов и из-за дефектов поверхности катания (выбоины, эксцентричность) и пути (неравномерный прогиб рельсов из-за плохой подбивки шпал и др.).
Тепловозы- основы теории

При движении тепловоза упругий прогиб рельсов вызывает появление вертикальных ускорений колесных пар, в 2,5-3 раза превышающих ускорение силы тяжести g, равное 9,81 м/с2. На стыках рельсов при высоких скоростях движения (особенно зимой, при более жестком пути) эти ускорения могут достигать (8-\0)g и более. Поэтому если бы вес тепловоза передавался на шейки осей без рессор, то напряжения как в осях, так и в рельсах были бы чрезвычайно большими.

Типы упругих элементов. В качестве устройств, обладающих упругими свойствами, в конструкции упругого подвешивания можно применять листовые рессоры, винтовые пружины, пневматические и резиновые элементы.

Применение листовых рессор, представляющих собой набор стальных полос (листов), способствует гашению колебаний. Трение между листами в листовых рессорах поглощает энергию колебаний и приводит к их затуханию. Однако листовые рессоры из-за наличия этого трения практически нечувствительны к малым (по величине или амплитуде колебаний) возмущениям. Если эти нагрузки не превышают по величине силы внутреннего трения, то рессоры передают их жестко.

Пружины деформируются прямо пропорционально нагрузке и не имеют внутреннего трения. Вследствие этого колебания в пружинном подвешивании гасятся очень медленно. Поэтому в конструкциях упругого подвешивания одновременно с пружинами применяют дополнительные упругие элементы, ускоряющие затухание колебаний. Такими элементами могут быть резиновые или резино-металлические амортизаторы. Однако их поглощающая (демпфирующая) способность недостаточна.

Поэтому в бесчелюстных тележках с пружинным подвешиванием применяют специальные фрикционные (или другого типа) гасители колебаний. В опытном порядке на ряде локомотивов используются пневматические рессоры, которые обладают малым весом и хорошими упругими свойствами. Их недостаток - большие габариты.

Типы рессорного подвешивания. Рессоры отдельных букс в тележке могут быть не связаны в общую систему. Подвешивание из независимых друг от друга рессор называется несопряженным, или индивидуальным. Такое подвешивание имеют бесчелюстные тележки тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116.

В ряде случаев рессоры в тележке соединяют между собой балансирами и подвесками. Такое подвешивание называется сопряженным, или сбалансированным.

В сопряженном подвешивании сохраняется заданное соотношением плеч балансиров распределение как статических, так и динамических нагрузок по колесным парам. Положение равнодействующей этих нагрузок при этом не меняется. В связи с этим все нагрузки в такой группе рессор можно заменить равнодействующей, приложенной в одной точке. Поэтому группу сопряженных рессор называют точкой подвешивания.

На серийных тепловозах с челюстными тележками (ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭМ2), а также на ТЭП60, 2ТЭ121 применено четырехточечное подвешивание (все рессоры одной стороны каждой тележки сопряжены балансирами и представляют одну точку подвешивания).

Если нагрузка от рамы тележки на буксы передается последовательно через один рессорный элемент (например, как на схемах, показанных на рис. 11.29, а или на рис. 11.15), подвешивание называют одинарным; если нагрузка передается последовательно через два элемента - двойным (рис. 11.29,6). Двойное подве-

Тепловозы- основы теории
Рис. 11.29. Типы рессорного подвешивания: а - одинарное; б - двойное; в - двухступенчатое шивание применено на тепловозе 2ТЭ121.

Различают также одноступенчатое или двухступенчатое подвешивание. Одноступенчатой называется система, в которой все упругие элементы, как у большинства грузовых и маневровых тепловозов, размещены между рамой тележки и буксами. Двухступенчатым (или двухъярусным) подвешиванием (рис. 11.29, в) называется система, в которой, помимо первой (буксовой) ступени подвешивания, имеется вторая ступень (центральная), упругие элементы которой размещаются между рамой тепловоза и рамой тележки, т. е. входят в состав опорных устройств кузова. Двухступенчатое подвешивание применено на тепловозах ТЭП60, 2ТЭ121, ТЭП70 и ТЭМ7.

Характеристики упругих элементов. Главными параметрами упругих элементов в отдельности и рессорного подвешивания в целом являются прогиб и жесткость.

Прогибом f рессоры (или пружины) называется величина ее деформации (по высоте) под действием приложенной нагрузки. Прогиб рессорного элемента (или подвешивания в целом) под действием веса расположенных над ним узлов локомотива в неподвижном (статическом) состоянии называется статическим - 1от- В настоящее время считается, что рессорное подвешивание грузовых тепловозов должно иметь статический прогиб порядка 100-120 мм, пассажирских- 160-180 мм, т. е. численно должно примерно соответствовать конструкционной скорости тепловоза в км/ч. Прогиб рессорных элементов в рабочем диапазоне нагрузок прямо пропорционален величине вертикальной нагрузки Р.

Упругость рессорных элементов характеризуется их жесткостью ж, которая представляет отношение вертикальной нагрузки к прогибу: ж = Р/{. Иными словами, жесткость представляет собой нагрузку, необходимую для прогиба рессоры на единицу высоты (обычно на 1 мм). Жесткость поэтому измеряется в кН/мм.

Иногда для характеристики подвешивания используется понятие гибкости рессоры г, которая является величиной, обратной жесткости, и представляет собой величину прогиба на единицу нагрузки: г = {/Р.

Жесткость системы упругих элементов зависит от жесткости входящих в нее элементов и характера распределения нагрузки между ними.

Предположим, что нагрузка Р передается через параллельно работающие упругие элементы (рис. 11.30, а), имеющие различные жесткости: ж\, Ж2 и Жз. Каждая из пружин будет воспринимать соответственно нагрузку Р\, Р2 и Р3:

Р\-Ж\\\\ Р2 = Ж2$2\ Рз = Жз\зЕсли рассматривать систему в целом, то для нее Р = ж/, где ж и 1 соответственно являются жесткостью и прогибом системы упругих элементов.

Так как очевидно, что р = Р1-\-+ Р2 + Р3, то ж\ = ж\\\-\- Ж2\2 + ж3(зЕсли при параллельной работе пружин обеспечивается одинаковая величина их деформаций (/г1=/2 = = 1з = 1Ь то ж = ж\ +Ж2-\-жз. (11-1)

Тепловозы- основы теории

Таким образом, жесткость системы параллельно нагруженных упругих элементов равна сумме жесткое-тей этих элементов.

Рассмотрим аналогичную систему последовательно работающих упругих элементов (рис. 11.30, б). Прогибы пружин соответственно равны 1[ = Р[/ж\; {я = Р2/ж2 и [-л - Рз/жз-Очевидно, что прогиб системы равен сумме прогибов ее элементов а = = !\ + !2 + Ь). Тогда

Тепловозы- основы теории

Ясно, что нагрузки, действующие на отдельные пружины, равны между собой и равны нагрузке Р, приложенной к системе (Р\ = Рг = Ръ - - Р). Следовательно,

Тепловозы- основы теории

Таким образом, при последовательном нагружении упругих элементов гибкость системы равна сумме гибкостей этих элементов.

Жесткость рессорного подвешивания.

В систему рессорного подвешивания, как, например, на рис. 11.31, могут входить и параллельно, и последовательно нагруженные упругие элементы. Для определения общей жесткости всей системы в этих случаях необходимо сначала заменить все группы последовательно работающих элементов условными (эквивалентными) рессорами и определить их эквивалентные жесткости по формуле (11.2). Затем, когда останется система параллельно работающих элементов, определить их суммарную жесткость [по формуле (11.1)], которая и будет жесткостью всей системы.

Однако можно подойти к решению этой задачи проще, исходя их условия равенства работ: работа деформации системы упругих элементов равна сумме работ деформации ее элементов:

Тепловозы- основы теории

Если в равенстве заменить прогибы через отношения, нагрузок к жесткостям (1 =-;

Тепловозы- основы теории

Разделив обе стороны уравнения на Р-и введя обозначения Д, = Р,/Р, получим Таким образом, для определения жесткости системы необходимо знать доли общей нагрузки Д,, воспринимаемые отдельными элементами, и их жесткости ж,.

Тепловозы- основы теории

Легко проверить, что формула (11.5) дает те же результаты, что можно получить пользуясь формулами (11.1) и (11.2). Так, если рессоры работают последовательно, Л,-=1 и из формулы (11.4) получается формула (11.2).

Рессорное подвешивание челюстных тележек тепловозов 2ТЭ10Л, ТЭЗ и т. д. (см. рис. 11.31) включает в себя два средних и два концевых рессорных комплекта, а также балансиры 11 и подвески 12, связывающие эти комплекты в единую систему.

Средний комплект состоит из вось-милистовой рессоры 9 и двух цилиндрических пружин 4. Пружины и рессора связаны в единый узел при помощи валика 2, проходящего через отверстия в проушинах опоры 3 и хомута 8. Чтобы предохранить проушины от износа, в их отверстия запрессованы стальные втулки 1.

Рама тележки 10 опирается на средний комплект через тарелки 7 и резиновые амортизаторы (шайбы) 5. Шайбы и пружины фиксируются в комплекте штифтами 6 тарелок 7.

Концевой комплект состоит из цилиндрической пружины 4, подвески

13, валика 14, резиновой шайбы 5, тарелки 7 и подкладки 17, зафиксированных гайкой 16 и штифтом 15. Пружина та же, что и для среднего комплекта (из прутковой стали 60С2 диаметром 40 мм).

Нагрузки в этой системе распределяются следующим образом (рис. 11.32): на средние комплекты приходится по одной трети вертикальной нагрузки на точку подвешивания, на концевые - по одной шестой.

Таким образом, 4ср=1/3; Лк =1/6.

Определим жесткость системы (точки) жт„, обозначив жесткость ее элементов листовых рессор, пружин и резиновых амортизаторов) соответственно ж.1, ж„р и ж?. Тогда Ал = 1 13; Д„р = 1/6; Лр= 1/6;

Тепловозы- основы теории

Если принять ж„=1,75 кН/мм, ж„р = = 1,0 кН/мм и жр=10,0 кН/мм, получим жтп = 3,4 кН/мм. Жесткость подвешивания тележки Жте.ч = 2жТ|„ жесткость подвешивания тепловоза жТепл = 2жгел = 4жт„= 13,6 кН/мм.

Тепловозы- основы теории
Рис. 11.31. Сбалансированное рессорное подвешивание трехосной челюстной тележки Рессорное подвешивание бесчелюстных тележек тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116 (см. рис. 11.24) является индивидуальным, несбалансированным. Рессорные комплекты всех букс, состоящие каждый из трех концентричных пружин, работают параллельно. Если обозначить через жк - жесткость одного пружинного комплекта буксы, то для буксы - точки подвешивания - жт„ = 2жк, для тележки :истел= 123«;«, для тепло-
Тепловозы- основы теории

ВОЗОВ Дг^тепл -~™ 24Дг£к..

Индивидуальное рессорное подвешивание примерно в 3 раза легче сбалансированной системы, в ней отсутствуют изнашиваемые шарниры (24 точки смазывания на тележку). Однако индивидуальная система требует тщательного подбора пружин по размерам и жесткости.

⇐ | Тележки | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Кузов и главная рама | ⇒