Системы рессорного подвешивания

При взаимодействии необрессоренных частей тепловоза и верхнего строения пути возникают значительные ускорения, более (10-20)g, и соответствующие им силы инерции. У большинства тепловозов уровень ускорений, измеряемых на обрессоренных частях, не превышает (0,3-0,4) ?. С целью повышения виброзагцит-ных свойств рессорного подвешивания его конструкция непрерывно совершенствуется. Выше отмечались отличительные признаки различных систем подвешивания.

На отечественных тепловозах как магистральных, так и маневровых (ТЭМ2, ТГМЗ, ТГМ6 и др.) широко применяют одноступенчатое сбалансированное рессорное подвешивание, состоящее из листовых рессор и спиральных пружин (см. рис. 1). Нагрузка от рамы тележки на сбалансированную группу подвешивания передается на две концевые пружины 8, два комплекта пружин 4 с рессорами 3, расположенными между колесными парами. Листовые рессоры с помощью подвесок и балансиров 2 соединены с концевыми пружинами. Балансиры через шарниры передают нагрузку на буксовые узлы 5.

Результаты испытаний и эксплуатации позволили определить пути дальнейшего повышения эффективности и надежности рессорного подвешивания. В частности установлено, что сбалансированное рессорное подвешивание выравнивает нагрузки между колесными парами при прохождении неровностей пути лишь при малой скорости движения. С ростом скорости увеличиваются силы инерции поворота балансиров и трения в шарнирах, вследствие чего не происходит полного перераспределения нагрузок между сбалансированными колесными парами. В то же время эксплуатация такой системы связана с обслуживанием и ремонтом большого числа шарнирных соединений (48 комплектов валиков и втулок на секцию). Кроме того, листовые рессоры имеют ряд недостатков: отличаются неопределенностью и нестабильностью действия сил трения между листами, имеют шарниры в местах сопряжения рессоры с подвесками, а также сравнительно большую массу и габариты.

В связи с этим широкое применение находит индивидуальное рессорное подвешивание, состоящее из одних винтовых пружин для каждого колеса (многократно статически неопределимая упругая система). Такое подвешивание применено на унифицированной тележке (см. рис. 2). Подвешивание тележки тепловоза состоит из шести групп, каждая из которых включает два одинаковых пружинных комплекта 2, устанавливаемых между приливами корпуса буксы и кронштейнами рамы тележки.

Для обеспечения прочности рессорного подвешивания пружинный комплект состоит из трех пружин 2 разного диаметра (наружная, внутренняя и средняя). Материал пружин ¦- сталь 60С2А, твердость после термообработки не ниже Н1^СЭ 42-48, для повышения долговечности их упрочняют наклепом дробью. Статическая нагрузка распределяется на три пружины комплекта в соотношении: 65, 23 и 12%. Максимально допускаемая нагрузка на комплект (до полного смыкания витка) составляет 63 кН, при этом напряжения не превышают предела текучести материала пружин на кручение (750 МПа). От статической нагрузки допускаемые напряжения принимаются не более 500 МПа.

Для демпфирования колебаний обрессоренной массы параллельно каждому комплекту пружин между корпусом буксы и рамой тележки установлены фрикционные демпферы 10. К раме тележки прикреплен корпус фрикционного демпфера; шток одним концом через резинометаллический шарнир 13 соединен с кронштейном буксы, другим через такой же шарнир - с поршнем, зажатым пружиной 12 между вкладышами 11 с накладками из фрикционного материала. Затяжкой пружины 12 регулируется сила трения, выбранная равной 4,6-5,2 кН, что составляет 5-5,5 % подрессоренной нагрузки, приходящейся на буксу.

Описанная система индивидуального рессорного подвешивания имеет в 3 раза меньшую массу, в ней отсутствуют подверженные износу периодически смазываемые шарнирные соединения. Вместе с тем при этой системе требуется большая точность изготовления сопрягаемых узлов и деталей для выравнивания статических нагрузок между колесами. Повышаются требования по жесткости пружин и их высоте в нагруженном состоянии. С этой целью пружины делят на три группы по жесткости и высоте, номер группы пружинного комплекта указан в паспорте тепловоза.

В рессорном подвешивании все более широкое распространение находят резинометаллические элементы - виброизоляторы, предназначенные для защиты обрессоренных частей от высокочастотных вибраций. В индивидуальном рессорном подвешивании тепловоза 2ТЭ116 виброизоляторы установлены под пружинами, они имеют вид круговых (кольцевых) резиновых пластин высотой 20 мм. На тепловозе ТЭП60 применены полые резиновые конусы, которые передают вертикальную нагрузку от кузова на тележки, играют роль шкворневых опор и элементов восстанавливающих устройств. На ряде зарубежных образцов подвижного состава применено рессорное подвешивание из чисто резиновых упругих элементов.

В качестве упругого элемента используют различные марки мо-розо- и маслостойких резин. Свойства некоторых применяемых марок резины, работающих при температуре до минус 50 °С, приведены в табл. 2. Допускаемые напряжения сжатия резиновых элементов принимаются не более 1,5 МПа. Относительная деформация (отношение деформации сжатия к высоте) не должна превышать 15-20 %•

Марка резины
Свойства резины 7-29-59 7-НО-68-1 7-В-14
Температурный интервал, °С Твердость по Шору

Относительное удлинение при разрыве, %, не менее

-50Ч-+80 45-60 500 -50-=-|-Ю0 55-70 250 -5о-ь+юа 70-80

160

Сила реакции рессорного подвешивания увеличивается вследствие сил трения, а также жесткости буксовых поводков. При вертикальных относительных перемещениях букс и рамы тележки резинометаллические элементы поводков скручиваются, создавая дополнительное сопротивление. Резиновые элементы имеют форму цилиндрической втулки, запрессованной с натягом 25%. Угловая жесткость валика поводка при скручивании резины становится равной сумме жесткостей цилиндрической втулки и двух торцовых плоских шайб:

где О - модуль; й\ и - соответственно внутренний и наружный диаметры втулки; й2 и - то же, торцовой шайбы; Н - толщина шайбы; и - длина втулки.

Вертикальная жесткость перемещения поводков буксы

где I - длина поводка.

Сила реакции рессорного подвешивания с учетом влияния поводков и фрикционных демпферов, отнесенная к одному колесу, определяется по формуле

где Сдр - жесткость комплекта пружин одной буксы; <рт - коэффициент относительного трения демпфера; кд - отношение вертикальной динамической нагрузки на буксы к статической, коэффициент динамичности.

Определим сд для тепловоза 2ТЭ116: спр=0,75 кН/мм; спв= = 0,2 кН/мм; фт = 0,043. Приведенная формула справедлива при &д>фт- По эмпирической формуле

?д = 0,1 + 0>//с. (2)

Тогда при скорости п=50 и 100 км/ч получим &д=0,17 и 0,24. Отсюда сд=1,27 и 1,16 кН/мм, т. е. величина сд больше статической жесткости на 16-27 %.

Сила реакции рессорного подвешивания при движении по неровностям пути возрастает ввиду наличия диссипативной составляющей при установке в буксовой ступени гидравлических демпферов. Поэтому, как правило, в буксовой ступени гидродемпферы не применяют, а в случае их установки предусматриваются специальные меры виброзащиты или разгрузочные клапаны, ограничивающие силу трения Гт. Величина является важной характеристикой рессорного подвешивания: уже отмечалось, что нежелательно излишнее трение, а недостаток демпфирования приводит к развитию резонансных колебаний.

Другая важная характеристика рессорного подвешивания -¦ величина статического прогиба /с: чем она выше, тем меньше воздействие тепловоза на путь. Как видно из табл. 1, при одноступенчатом подвешивании принимается /слД20-М30 мм. По габаритам подвижного состава увеличение /0 невозможно. Поэтому в практике тепловозостроения, в первую очередь на пассажирских теплорозах, находит применение двухступенчатое подвешивание.

В показанной на рис. 6 унифицированной тележке пассажирского тепловоза ТЭП70 применено индивидуальное рессорное подвешивание, имеющее пружины как в первой, так и во второй ступени. Общий статический прогиб увеличен до ?с=180 мм, причем большая часть прогиба (120 мм) приходится на вторую ступень. При таком распределении прогиба по ступеням можно обеспечить эффективное демпфирование колебаний при установке демпферов только во второй ступени. Этим создаются необходимые условия для надежной работы демпферов, так как в первой ступени осуществляется эффективная виброзащита от колебаний необрессорен-ных частей. При двухступенчатой системе рессорного подвешивания на тепловозе ТЭП70 осуществлена упругая связь тележек с кузовом в поперечном направлении (относ) за счет деформации пружин.

Двухступенчатая система рессорного подвешивания имеет недостатки, сдерживающие ее широкое применение: сложную конструкцию экипажа, большее число частот собственных колебаний и вероятность развития повышенных амплитуд колебаний в резонансных зонах.

При одноступенчатом подвешивании частота собственных вертикальных колебаний

/о 5/1/77, (3)

где /о - частота собственных колебаний, Гц; <§¦ - ускорение свободного падения; /с - статический прогиб рессорного подвешивания, см.

При прогибе в пределах 80-180 мм частота собственных колебаний /0= 1,8-М ,2 Гц, а при двухступенчатом подвешивании появляется вторая частота собственных колебаний в диапазоне 5 7 Гц и более. В любом случае увеличение числа частот нежелательно, тем более, что на ж.-д. транспорте имеются не рекомен дуемые, с точки зрения воздействия на организм человека, диапазоны частот колебаний рабочих мест.

При двухступенчатом подвешивании возрастает динамическое воздействие на путь. Если ускорение обрессоренной массы кузова практически не зависит от распределения прогиба между ступенями, то силы инерции тележек возрастают с уменьшением доли статического прогиба, приходящегося на первую ступень. В случае, когда на вторую ступень приходится до 70 % общего статического прогиба, масса тележки оказывается без необходимой виброзащиты, в результате воздействие тележки на путь увеличивается. Это следует из анализа амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) вертикальных колебаний тепловоза с двухступенчатым рессорным подвешиванием. АЧХ связывают вертикальные перемещения колесной пары с вертикальными колебаниями кузова и тележек, они определяются выражениями соответственно

к (ш) = гк (г'со)//г (гео) и 1УТ (г'со) = гт (гео)//г (гео)

и находятся из дифференциальных уравнений движения, которые имеют вид

где тк и тт - масса соответственно кузова и тележек; гк и гт - обобщенные координаты вертикальных перемещений кузова и тележек; й2 - коэффициент сопротивления гидравлических демпферов второй ступени; С\ и с% - жесткость соответственно первой и второй ступени рессорного подвешивания; Л - траектория вертикальных перемещений колесной пары.

Из уравнений движения

ІГ (гео) = (і<0)- = -йк (?>..+ ; (5)

/г (гео) ск (со) + ійк (со)

((7 (гю) = гт (іа) = Дт И + іЬТ (м) т А (гео) ск (со) + г'Ак (со) ’

где ак(со)=СіС2; йк(ю) =сос2й2; ск(со) = (-^/иксо2+г;2)(-«тСо2+ +Сі) - со2ігпкс2; <ік (со) =сос2 (-гп«©2 - ттсо2+гц); ггт(со)- СіХ X (-тксо2+сі); йТ(со) =со62Сь

Для наглядности примем Ь2 = 0. Амплитудно-частотные характеристики кузова и тележек имеют принципиальные различия. Если для кузова числитель является постоянным, то для тележки в числителе содержится член со2, т. е. амплитуда колебаний тележки и ее воздействие на путь зависят от квадрата частоты воздействия неровностей пути. При одноступенчатом подвешивании числитель также не зависит от частоты. Таким образом, при применении двухступенчатого рессорного подвешивания его параметры следует выбирать исходя из требований снижения воздействия на путь и виброзащиты экипажной части.

Классификация и характеристики основных типов тележек | Экипажные части тепловозов | Системы тягового привода