1.5.2. Назначение рессорного подвешивания

Железные дороги имеют неровности, которые возбуждают колебания в вагоне до частот, достигающих 40 Гц. Для противодействия им в ходовых частях, являющимися промежуточными звеньями между путем и вагоном, используется рессорное подвешивание. Оно способствует созданию лучших динамических характеристик вагона, влияет на безопасность движения, а также обеспечивает комфортабельность перевозок.

Однако динамика вагона зависит не только от ходовых частей. Она является результатом сочетания различных внешних воздействий и особенностей всех тех устройств, которые участвуют в процессе движения. Как правило, динамика вагона направлена на выполнение технической задачи по безопасности движения и коммерческой,- по обеспечению комфортабельности поездки.

Качественно динамику вагона можно оценить на простейшей модели, одномассовой колебательной системе, двигающейся по пути с синусоидальными неровностями (рис. 1.49).

Рассмотрим движение во всем одинаковых одномассовых вагонов по пути одинаковой неровности и с одинаковой скоростью.

При этом, в случае I (см. рис. 1.49) рессорного подвешивания нет; ходовые части и кузов вагона соединяет абсолютно жесткая связь с очень большой жесткостью, т.е. с₁>> с₂ .

Траектории пути, пройденные центром колеса, центром масс повторяют траекторию неровностей пути и составляют a₁, Т₁.

Во втором случае, - между ходовыми частями и кузовом вагона находится рессоры жесткостью с₂. Центр колесной пары повторяет траекторию неровности пути, т.е. a₁ и Т₁. Возмущающий импульс со стороны пути через рессорное подвешивание будет передаваться с задержкой вследствие гибкости 1/с₂ рессоры и увеличенной ее длины, по сравнению с первым случаем, на величину Δt; на эту же величину увеличится и период колебаний кузова вагона, т.е. Т₂ = Т₁ + Δt.

Рис. 1.49. К определению предназначения рессорного подвешивания: 1 – неподрессоренный; 2 – подрессоренный вагон. Обозначения: Т – период колебаний;

ω =1/Т – частота колебаний; t – время; j – ускорение; υ – скорость движения;

a – амплитуда колебаний; Р_g – инерционная (динамическая) сила; m – масса;

с – жесткость подвешивания

Как известно, частота и период связаны зависимостью ω = 1/Т. Следовательно, наличие рессорного подвешивания приводит к снижению частоты колебаний, передаваемой на кузов вагона. Откуда следует первое предназначение рессорного подвешивания – его наличие способствует снижению частоты колебаний, передаваемой на кузов вагона, т.е.:

ω_{1 >} ω₂

Запаздывание в передаче возмущения от колеса к кузову из-за наличия рессорного подвешивания приводит к уменьшению ускорения этого процесса, т.е. в этом случае j₂ будет меньше соответствующего ускорения первого случая j₁. Как известно, динамические силы определяются вторым законом Ньютона, т.е. Р_g = j m, следовательно, при одинаковых массах, во втором случае на кузов вагона будут передаваться меньшие значения и динамических сил. Отсюда следует второе свойство рессорного подвешивания – его наличие способствует снижению динамических нагрузок, воспринимаемых кузовом вагона, т.е.:

Р_g2 < Р_g1

С увеличением периода колебаний при прочих равных условиях уменьшается амплитуда колебаний (см. рис. 1.50), так как при Т → ∞, а → 0, а при Т₂ > Т₁ ; а₁ > а_2..

Рис. 1.50. К определению зависимости периода колебаний от амплитуды:

здесь d – диаметр пружины, аналога стоячих колебаний

Эти соображение выявляет третье свойство рессорного подвешивания – оно способствует уменьшению амплитуды колебаний кузова вагона, т.е.

а₂ < а₁ .

Рассмотрим роль гасителей колебаний в колебательном процессе (рис.1.51).

Рис. 1.51. Влияние стыков на появление резонанса.

Обозначения: m – масса вагона; с – жесткость рессорного подвешивания;

а – амплитуда; L, L_p - соответственно длина пути и длина рельса; υ - скорость

При проходе стыков при совпадении частот вынужденных и собственных колебаний у такого вагона может наступить резонанс (рис. 1.52). Такое явление может привести к отрыву колеса от рельса или к излому отдельных частей вагона. И то, и другое - недопустимы. Поэтому в момент достижения у тела предельного значения амплитуды колебаний должен включаться в работу гаситель колебаний и избыточную энергию колебательного движения (заштрихованная область на рис. 1.52) за счет внутренних сил трения превращать в тепловую, заставляя систему совершать колебания с предельной амплитудой. Следовательно, гасители колебаний призваны выполнять в этом случае -

Рис. 1. 52. К определе-нию величины предель-ной амплитуды [a] коле-баний при резонансе

четвертое свойство рессорного подвешивания – ограничивать амплитуду колебаний предельной величиной, т.е.

а ≤ [а].

В итоге рессорное подвешивание способствует выполнению следующих функций назначения:

1) снижать частоту колебаний, передаваемую на кузов вагона, т.е.:

ω_{1 >} ω₂ ;

2) снижать динамические нагрузки, воспринимаемые кузовом вагона, т.е.:

Р_g2 < Р_g1;

3) способствовать уменьшению амплитуды колебаний кузова вагона, т.е.

а₂ < а₁;

4) ограничивать предельной величиной амплитуду колебаний при резонансе, т.е.

а ≤ [а].

Согласно принятым условиям п.1.5.1, будем относить к упругим элементам, те которые выполняют первые три условия назначения; к гасителям колебаний - устройства, выполняющие только четвертое условие; а к амортизаторам – все элементы подвешивания, которые обладают значительным внутренним трением и выполняют все четыре вышеприведенных условия.