Вагоны зарубежных железных дорог оборудованы в основном фрикционными поглощающими устройствами различного типа. Однако недостаточная их энергоемкость, специализация в типах вагонов, а также соображения экономического характера привели к созданию широкого многообразия конструкций с использованием различных принципов их работы
Новые конструкции высокоэффективных амортизирующих устройств находят широкое применение на различных типах вагонов, а их доля в общем парке вагонов непрерывно увеличивается
Находящиеся в эксплуатации поглощающие устройства по способу их установки на раме вагона могут быть разделены на следующие основные группы концевые поглощающие аппараты автосцепки, амортизи-
рующие устройства вагонов с подвижными (плавающими) хребтовыми балками, буферные амортизирующие устройства и амортизирующие устройства подвижных грузовых настилов вагонов.
Концевые поглощающие аппараты автосцепки. Эти аппараты являются наиболее распространенным типом устройств продольной амортизации вагонов. На зарубежных железных дорогах в отличие от советских железных дорог применяется большое количество различных типов поглощающих аппаратов автосцепки с различными принципами работы, например такие, как фрикционные,резиновые, эластомерные, гидравлические и комбинированные аппараты.
Техническими требованиями американских железных дорог минимальная энергоемкость поглощающего аппарата автосцепки в приработанном состоянии предусматривается около 50 кДж при продольной силе 2,23 МН.
Наиболее широко распространены среди концевых поглощающих аппаратов пружинно-фрикционные аппараты компаний "Майнер" и "Кардвелл Вестингауз".
Компанией "Майнер" совместно с европейскими железными дорогами разработана конструкция резинофрикционного поглощающего аппарата ЯР-4-31-СР (рис. 56), который может быть использован как с обычной, так и с автоматической сцепкой.
Особенностью конструкции аппарата ЯР-4-31-СР является применение специальных асбестовых прокладок 1, закрепляемых на четырех клиньях 2 аппарата между их основными поверхностями трения и фрикционными поверхностями корпуса 3. Горловина корпуса аппарата выполнена цилиндрической. Использование специальных прокладок стабилизировало процессы фрикционного взаимодействия деталей и значительно снизило износ рабочих поверхностей. На рис. 57 приведены зависимости усилия сжатия Р от хода X для режимов статического (кривая 1) и динамического (кривая 2) нагружений аппарата. Статическая и динамическая энергоемкость аппарата составляет соответственно 73,5 и 78,4 кДж.
Компанией "ЛАФ" (Франция) выпускаются резинометаллические поглощающие аппараты типа 6012 для локомотивов и типа 6002 для грузовых вагонов. Применение специальной резиновой смеси
Рис. 56. Поглощающий аппарат ВР-4-31-СР фирмы ‘’Майнер" (США)
"Стенлаф" для изготовления резиновых элементов аппарата на базе натурального каучука обеспечивает эффективную и стабильную работу амортизаторов при температурах от +20 до -40 °С. Поглощающие аппараты сохраняют работоспособность и при температуре -50 °С и имеют при этом удовлетворительные характеристики.
В последние годы все более широко применяются поглощающие аппараты, с силиконовыми эластомерами, используемыми в качестве рабочей среды. Указанные наполнители имеют высокую стойкость к естественным и искусственным факторам старения. Высокая стабильность этих веществ позволяет успешно применять их в диапазоне температур -70… +250 °С. Указанные вещества наряду со свойствами эластичного материала обладают высокой степенью сжимаемости, а также незначительно изменяют вязкость при изменениях температуры, т. е. обладают свойствами жидкости, однако вязкость силиконовых эластомеров значительно выше вязкости амортизаторных масел.
Амортизирующие устройства с использованием силиконовых эластомеров при равных габаритных размерах с прочими амортизаторами имеют более простую конструкцию и высокую удельную энергоемкость, приходящуюся на единицу их веса.
Вид силовой характеристики аппаратов этого класса определяется режимами его сжатия. При квазистатическом нагружении перемещение поршня внутрь цилиндра приводит к повышению давления в результате объемного сжатия эластомера. Характер изменения этой зависимости определяется объемом эластомера, площадью сечения поршня и коэффициентом сжимаемости, при этом гистерезис силиконового эластомера практически отсутствует, составляя всего 10-15 %.
При ударных режимах нагружения, которые сопровождаются более высокой скоростью сжатия поглощающего эластомерного аппарата, на поршне возникают дополнительные силы сопротивления в результате гидравлических процессов перетекания силиконового эластомера через зазоры между поршнем и цилиндром. Это приводит к значительному увеличению энергоемкости аппарата и, как следствие, эффективность демпфирования его возрастает, при этом она зависит от скорости нагружен ия.
Эластомерный поглощающий аппарат типа ЭС-12А представлен на рис. 58. Он состоит из цилиндра /, в котором размещен плунжер 2, одновременно являющийся вторым цилиндром, взаимодействующим с плунжером 5, который опирается в дно 7 корпуса 4. Полость плунжера 2 сообщена через калиброванное отверстие 3 с полостью цилиндра 7. Плунжер 2, взаимодействующий с цилиндром 7, уплотнен прокладкой 6. Внутри цилиндра 7 и плунжера2 находится эластомер.
Аппарат имеет установочные размеры под карман 625 мм. Энергоемкость аппарата при силе сопротивления Р — 1,6 МН и ходе X = 110 мм составляет 120 кДж (рис. 59).
Эластомерный поглощающий аппарат типа БЯ-24 компании "Май-
Рис. 58, Поглощающий аппарат ОС-12А компании "Доманж-Жаррет" (Франция)
нер" (рис. 60) имеет установочные размеры для кармана 625 мм и ход 82 мм. Обеспечивает эффективную защиту при соударении тяжелых вагонов со скоростями до 3,12 м/с при продольной силе 3,18 МН. Энергоемкость аппарата при продольной силе2,25 МН составляет 117 кДж.
Г идрофри кционные поглощающие аппараты типов Н-60 и Н-100 разработаны компанией "Кардвелл Вестингауз" на базе традиционной схемы поглощающего аппарата с использованием пластинчатой схемы фрикционного узла (рис. 61). Установка в подпорном комплекте аппарата дополнительного гидравлического блока (гидроусилителя) в сочетании с хорошо зарекомендовавшим себя в эксплуатации пружинно-фрикционным механизмом аппарата почти вдвое увеличивает энергоемкость аппарата данного типа по сравнению с аппаратами пружиннофрикционного типа Н-50 и Н-80.
В конструкции аппарата использован регулирующий элемент в виде прямого дифференциального клапана. Гидроусилитель практически не оказывает сопротивления при квазистатических режимах сжатия, однако при режимах ударного нагружения его сопротивление изменяется в зависимости от скорости сжатия алпарата, что в результате обеспечивает эффективную защиту конструкции вагона и груза. Поглощающие аппараты типов Н-60 и Н-100 особенно широко применяются на новых конструкциях вагонов для массовых перевозок контейнеров и контрейле-ров. Аппарат типа Н-60 рассчитан на установку в стандартный карман размером 625 мм, а аппарат Н-100 на размер кармана 914 мм Аппараты имеют соответственно ход 82,5 мм и 121,2 мм и энергоемкость 110-120 и 130-140 кДж при продольной силе 2,25 МН.
Рис 60. Поглощающий аппарат ЭВ-24 фирмы "Майнер" (США):
1 — плунжер; 2 — корпус; 3 — направляющая втулка; 4 — стопорное кольцо; 5 — узел уплотнения; 6 — поршень; 7 — рабочее тело — силиконовый эластомер
Рис. 61. Поглощающий аппарат Н-60 фирмы "Кардвелл Вестингауз" (США) :
1 — корпус; 2 — центральный распорный клин; 3- фрикционный клин; 4- клиновая неподвижная пластина; 5 и 6 — соответственно подвижная и неподвижная фрикционные пластины; 7 — пружина; 8 — опора; 9 и 10 — соответственно центральная и угловая пружины; 11 — нижняя шайба
На железных дорогах США, Канады широко распространены мощные концевые гидравлические поглощающие аппараты. Ими оборудуются грузовые вагоны в зависимости от их грузоподъемности, длины и типов автосцепок, принятых по стандартам США. По значениям энергоемкости такие концевые поглощающие аппараты успешно конкурируют с центральными амортизирующими устройствами подвижных хребтовых балок вагонов.
Гидравлические концевые поглощающие аппараты типа "Фрейч-Мастер" (рис. 62) успешно эксплуатируются и хорошо зарекомендовали себя на различных железных дорогах США на протяжении 20 лет. В основном они устанавливаются на вагонах, перевозящих хрупкие, опасные грузы. С начала их производства изготовлено свыше 50 тыс. шт.
Аппараты типа "Фрейч-Мастер" выпускаются с ходом 178, 254 и 381 мм. На рис. 63 приведены сравнительные характеристики концевых поглощающих аппаратов различного типа. Как показали испытания этих аппаратов при продольной силе по автосцепке 2,23 МН, скорость соударения для вагонов с концевыми фрикционными поглощающими аппаратами составила 1,6 м/с, для вагонов с резиновыми поглощающими аппаратами — 1,96 м/с, а для
Рис. 63. Зависимости усилия сжатия поглощающих аппаратов различных типов от скорости соударения вагонов: 1 — фрикционные; 2 — резиновые; 3 и 4 — типа "Фрэйч-Мастер" с рабочим ходом соответственно 254 и 381 мм
вагонов, оборудованных гидравлическими поглощающими аппаратами типа "Фрейч-Мастер" с ходом 254 мм,- 4,73 м/с, а с ходом 381 мм — соответственно 5,8 м/с.
Гидравлический поглощающий аппарат типа "Фрейч-Мастер" может устанавливаться как на новые, так и на старые вагоны. Аппарат размещается в карманах по концам хребтовой балки.
В корпусе аппарата (см. рис. 62) размещен I идроцилиндр 4, который образует с ним камеру низкого давления 3 и является также полостью камер высокого давления 10, которые граничат с компенсационной камерой 8. Камеры высокого и низкого давлений сообщены между собой калиброванными отверстиями 5, выполненными в стенках цилиндра 4, и через обратные клапаны 7, установленные в крышках 2 гид роцилиндра. При отсутствии на аппарате нагрузки разделяющий гидроцилиндр поршень 6 находится в среднем положении. Шток, жестко связанный с поршнем, одним концом шарнирно соединен с самоцентрирую-щейся плитой 1, которая размещается между упорами в хребтовой балке. Такая конструкция аппарата обеспечивает самоцентрирование аппарата, при этом независимо от направления приложения нагрузки (растяжение или сжатие) перемещается корпус аппарата 9, а шток остается неподвижным. В исходное положение аппарат возвращается витыми цилиндрическими пружинами. Поглощение ударных нагрузок аппаратом происходит благодаря дросселированию рабочей жидкости из камеры высокого давления через калиброванные отверстия 5 и через обратные клапаны 7 в камеру низкого давления 3.
Центральные амортизирующие устройства вагонов с подвижными хребтовыми балками. Несмотря на высокую стоимость оборудования вагона подвижной хребтовой балкой в комплекте с амортизирующим устройством (стоимость балки составляет до 20 % стоимости вагона), эксплуатация таких вагонов для перевозки ценных и хрупких грузов, чувствительных к продольным ударным нагрузкам в поезде, экономически оправдана. О широком применении вагонов с плавающей хребтовой балкой можно судить по следующим данным: в 1978 г. в эксплуатации в США находилось свыше 300 тыс. таких вагонов; в настоящее время 30 % всех вновь строящихся вагонов оборудуются плавающими хребтовыми балками с мощными центральными поглощающими аппаратами.
Подвижная хребтовая балка размещается по продольной оси в раме вагона и связана с ней через амортизирующее устройство. Сцепные устройства по концам хребтовой балки, как правило, включают в себя стандартные поглощающие аппараты фрикционного или резинового типа.
При соударении вагона его конструкция, а также и перевозимый груз воспринимают значительно меньшие динамические усилия, так как благодаря наличию концевых поглощающих аппаратов и мощного центрального амортизатора энергия удара рассеивается при относительном продольном перемещении рамы вагона и хребтовой балки.
В зависимости от типа вагонов, их конструкции, от характера перевозимого груза применяемые центральные амортизирующие устройства могут иметь максимальный ход 178, 254, 305, 457, 508, 610 и 762 мм.
Известны конструкции амортизирующих устройств вагонов с подвижными хребтовыми балками с применением центрального амортизирующего устройства резинового, фрикционного и гидравлического типов.
Конструкции вагонных рам фирмы "Вэйч эквипмент" типов 32 Т, 40, 65 и 90, предназначенные для служебных, изотермических и крытых вагонов, оборудованы плавающей хребтовой балкой. Амортизация продольных нагрузок обеспечивается в этих конструкциях вагонов благодаря трению подвижной хребтовой балки о кузов вагона, сопротивлению пружин и работе амортизаторов различного типа.
В эксплуатации на железных дорогах США находятся вагоны с подвижной хребтовой балкой, конструкция которой разработана совместно специалистами железной дороги "Саусен Пасифик» и Стэнфордского научно-исследовательского института (рис. 64). Подвижная хребтовая балка по концам со стороны автосцепок оборудована стандартными поглощающими аппаратами 7, а в центральной части связана с рамой вагона через амортизатор 4 гидрофрикционного типа "Гидро-Фрикшион".
Конструкция амортизатора включает в себя набор стальных подвижных фрикционных пластин 5, связанных своими концами с подвижной балкой 3 и размещенных последовательно между бронзовыми пластинами 6 корпуса амортизатора, неподвижно закрепленными на раме вагона. Пластины 6 и плита 11 имеют возможность вертикального перемещения относительно корпуса. Нижняя неподвижная плита корпуса выполнена с наклонными поверхностями для взаимодействия с головкой плунжера 8 гидроцилиндра, которая взаимодействует с плитой 11, выполненной с ответными наклонными поверхностями. Гидравлический цилиндр 10, являющийся корпусной деталью, жестко крепится в средней части рамы вагона. Для возврата подвижной балки в среднее положение между упорами балки и рамы размещены возвратные цилиндрические пружины 2.
Рис. 64. Рама вагона с подвижной хребтовой балкой (а) и центральный гидрофрикционный амортизатор типа "Гидро-Фрикшион" (б)
Поглощение ударных нагрузок центральным амортизатором при относительном перемещении балки и рамы вагона осуществляется за счет сил при фрикционном взаимодействии подвижных 5 и неподвижных 6 пластин. Сила трения между указанными пластинами изменяется за счет сжатия пружин 7 и сопротивления со стороны-гидравлического амортизатора, причем сопротивление последнего автоматически регулируется в зависимости от скорости соударения вагона.
Работа гидравлического амортизатора в данной конструкции построена на принципе дросселирования жидкости из камеры цилиндра 10 в камеру плунжера 8 через щель, образованную регулирующим элементом 9 и стенками калиброванного отверстия диафрагмы штока. Центральные амортизаторы типа "Гидро-Фрикшион” рассчитаны на ход подвижной балки 254, 305 и 508 мм. Более поздняя модификация данной конструкции амортизатора получила название "Гидро-Кашион".
Испытания показали, что при соударении вагонов массой брутто 77 т, оборудованных подвижной хребтовой балкой с центральным амортизатором типа "Гидро-Фрикшион", со скоростью 4 м/с продольная сила составила 1,16 МН. Энергоемкость амортизирующих устройств подвижной балки с центральным амортизатором типа "Гидро-Фрикшион" составляет 274-338 кДж при продольной силе 1,33-1,76 МН.
Опыт эксплуатации американских железных дорог показывает, что наиболее эффективным является применение хребтовых балок с центральными поглощающими устройствами гидравлического типа. Расходы железных дорог по уплате штрафов за повреждение грузов снижаются на 99 % при использовании таких вагонов. Перевозимые грузы надежно защищаются от продольных ударных нагрузок, которые могут возникать при маневрах, соударениях со скоростями соударения до 5,28 м/с.
Рис. 65. Центральный амортизатор одностороннего действия типа "Гидрофрэйм"
По принципу работы центральные амортизаторы подразделяют на амортизаторы одностороннего и двустороннего действия.
Принцип работы гидравлического амортизатора одностороннего действия состоит в следующем. При движении хребтовой балки в одну сторону вместе с ней перемещается и корпус гидравлического амортизатора, при этом шток с поршнем остаются неподвижными. При обратном же направлении движения хребтовой балки перемещаются шток с поршнем, а корпус остается неподвижным. Возвращающее устройство работает при любом направлении перемещения хребтовой балки.
Гидроамортизатор двустороннего действия, как правило, выполнен в виде корпуса с размещенным в нем сквозным штоком с поршнем, разделяющим гидроцилиндр на две гидравлические камеры. При перемещении хребтовой балки в любую сторону перемещается шток, при этом корпус остается неподвижным. Возвращающие устройства выполняются раздельными и размещаются с каждой из сторон амортизатора.
Компанией "Пульман Стандарт", начиная с 1960 г., грузовые вагоны с подвижной хребтовой балкой оборудуются центральными гидравлическими амортизаторами типа "Гидрофрэйм" (рис. 65). В эксплуатации находятся свыше 50 тыс. таких устройств. Указанные амортизаторы выпускаются двух типов: "Гидрофрэйм-40" с максимальным перемещением балки в каждую сторону на 508 мм и "Гидрофрэйм-60" с ходом балки соответственно на 762 мм.
Конструктивно устройство выполнено в виде цилиндра 3, образующего камеру высокого давления, в днище которого установлен регулирующий элемент в виде регулирующего стержня 7, который свободным концом пропущен через калиброванное отверстие 6 в поршне 5 штока 2 и размещен в полости последнего.
При сжатии амортизатора жидкость из камеры цилиндра 8 через щель между регулирующим стержнем 7 и поршнем 5 и далее через кольцевые отверстия 4 перетекает в компенсационную камеру, образованную резинотканевым сильфоном 1 трубчатой формы и штоком 2. Одним концом сильфон 1 закреплен на штоке 2, а другим — на втулке цилиндра.
Амортизирующие устройства буферного типа. Применение на подвижном составе европейских железных дорог колеи 1435 мм тяговой сцепки привело к необходимости создания мощных амортизирующих устройств буферного типа. Такие устройства снабжены не только упругими элементами в виде цилиндрических, спиральных пружин, а также упругими элементами, работа которых строится на различных принципах поглощения ударной энергии.
Рис. 66. Буфер типа К2Е с эластомерным амортизатором (э) и его силовые характеристики (б)
1 — корпус буфера; 2 — цилиндр эластомерного амортизатора; 3 — шток с поршнем; 4 — рабочее тело — силиконовый эластомер; 5 — цилиндрическая пружина
Высокими амортизирующими качествами обладают буферные устройства (рис. 66, а), изготавливаемые для подвижного состава польских железных дорог. Данная конструкция выполнена на базе вагонного буфера типа К2Е и включает в себя сменную вставку в виде последовательно соединенных витой цилиндрической пружины 5 и эластомерного амортизатора 2. Обладая высокой энергоемкостью при квазистати-ческом режиме сжатия, буферное устройство данного типа также высокоэффективно и при динамических режимах нагружения. На рис. 66, б приведены зависимости усилия сжатия (Я) от хода (X) буфера при статическом (кривая 1) и динамическом (кривая 2) режимах сжатия.
Квазистатическая и динамическая энергоемкость буфера составляет соответственно 35 и 70 кДж.
В последние годы в странах Европы для перевозки грузов, подверженных разрушениям при воздействии ударных нагрузок, достаточно широко используются платформы с подвижным грузовым настилом или опорами.
На железных дорогах Великобритании широко применяются буферные устройства с гидравлическими вставками серии "ОЛЕО" (рис. 67) компании "ОЛЕО Пневматике". Буферное устройство работает следующим образом. Когда плунжер 4 перемещается медленно, рабочая жидкость из гидравлической камеры А перетекает в компенсационную камеру Б через кольцевой зазор 6 между профилированным стержнем 9 и диафрагмой 8, при этом перепад давления между указанными камерами незначителен, а сопротивление сжатию определяется давлением на диафрагме.
Рис. 67. Буфер типа "ОЛЕО"
1 — упорная плита; 2 — клапан; 3- концевая упорная втулка; 4 — плунжер; 5 — плавающий поршень; 6 — кольцевой зазор; 7 — цилиндр; 8 — диафрагма’; 9 — профилированный стержень; А, Б, В — соответственно гидравлическая, компенсационная и газовая камеры
При более высоких скоростях сжатия дросселирование жидкости из камеры А в камеру Б сопровождается значительным перепадом давления на диафрагме, что приводит к увеличению сопротивления сжатию буфера. Компанией "ОЛЕО Пневматике" выпускаются для буферов гидравлические вставки типов 5С и 4ЕС-80, которые имеют максимальный ход сжатия 1 05, 110 и 135 мм.
На рис. 68 приведены силовые характеристики буферов с гидравлическими вставками при соударении одиночных вагонов массой брутто 80 т.
Энергоемкость буферов данного типа при ходе 105 мм и продольной силе 1 МН составляет 84 кДж, а при ходе 135 мм при продольной силе 2МН — 220 кДж.
Амортизирующие устройства вагонов с подвижными грузовыми настилами. Разработанная фирмой "СЕАГ" (ФРГ) конструкция платформы (рис. 69) включает в себя амортизирующее устройство, выполненное в виде погрузочной плиты t, которая опирается на раму вагона через ролики 2, передвигающиеся по наклонным поверхностям 3 в ту или иную сторону в продольном направлении в зависимости от направления действия внешних сил. Ролики оборудованы тормозным механизмом. При перемещении плиты в среднее положение тормозной механизм отключается. Плита имеет возможность перемещения в продольном направлении в обоих направлениях на расстояние до 800 мм, при этом ее подъем в вертикальной плоскости может достигать 100 мм. При перемещении плиты более 700 мм в работу по замедлению перемещения плиты включается дополнительный амортизатор, установленный между погрузочной плитой и рамой вагона. Амортизирующее устройство обеспечивает изменение силы демпфирования пропорционально весу перевозимого груза.
Рис. 69. Платформа с амортизирующим устройством в виде подвижного пола
Рис. 70. Схема размещения (э) и конструкция (б) центрального амортизатора типа "ОЛЕО” на вагоне с подвижным настилом
Специализированные вагоны, а также платформы для перевозки контейнеров оборудуются подвижными грузовыми настилами с использованием гидравлических амортизаторов серии "ОЛЕО". Указанные вагоны оборудуются длинноходовыми амортизаторами, которые в зависимости от типа вагона могут монтироваться по разным схемам.
Например, сдвоенные амортизаторы могут размещаться в центральной части хребтовой балки платформы (рис. 70, а). Груз или контейнер могут иметь специальные упорные элементы или размещаться на промежуточных настилах, которые взаимодействуют с упорными поверхностями концов амортизатора. Рабочей ход амортизаторов может составлять 500-760 мм.
Амортизатор (рис. 70, б) выполнен в виде двух одинаковых цилиндров 1 с камерами высокого давления А, в днищах которых смонтированы регулирующие элементы в виде дроссельных игл 2. Плунжеры 4 двух цилиндров соединены между собой промежуточной втулкой 5 и образуют общую газовую камеру Б. Каждый плунжер имеет подвижный плавающий поршень 3, отделяющий гидравлическую камеру плунжера В от общей газовой камеры Б.
Платформы, оборудованные амортизирующими устройствами компании "ОЛЕО Пневматике", обеспечивают ускорение не более 2д при скорости соударения 4,17 м/с.
⇐Новые конструкции поглощающих аппаратов повышенной энергоемкости | Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава | Поглощающие аппараты, буфера и переходные площадки пассажирских вагонов⇒