1.5.3. Классификация элементов рессорного подвешивания

Элементы рессорного подвешивания принадлежат к широкому классу конструктивных составляющих машин и механизмов. Их, применительно к вагонам можно классифицировать по следующим признакам:

- отношение к классу элементов рессорного подвешивания;

- выполняемые функции:

Таблица 1.9. Упругие элементы, гасители колебаний и амортизаторы

№ пп	Показатель классификации	В а р и а н т ы и с п о л н е н и я
1 2 3 4 5 6 7 8 9	Класс элементов рессорного подвешивания Свойства рессор Разновидности Свойства материалов рессор Материал рессор Статическая характеристика Конструктивное исполнение Характеристики рессор Область применения	Упругие элементы (1) Гасители колебаний (2) Амортизаторы (3) Уменьшение Уменьшение Снижение динамических Ограничение амп- частоты (4) амплитуды (5) нагрузок (6) литуды при резонансе (7) Пружины Торсионы Фрикцион- Гидро- Листо- Пневмо- Резиновая Другие (8) (9) ные гаси- гаси- вая рес- рессора рессора (14) (15) тели (10) тели (11) сора (12) (13) Упругие (16) Демпфирующие (17) Упруго-демпфирующие (18) Сталь (19) Резина (20) Жидкость (21) Воздух (22) Линейная (23) Нелинейная (24) Комбинированная (25) Автономные раздельные (26) Автономные совмещенные (27) Встроенные (28) Постоянные (29) Изменяемые от эксплуатации (30) С регулируемыми параметрами (31) Рессорное подвешивание вагонов (32) Другие системы вагонов (33) В других отраслях (34)
Структурно-логический граф испол-нения в обозначениях табл.1.9.		Упругий элемент ← {{4^ 5^6}; {8^9}; 16; 19; 23; {26^28}; 29; 32}; Гаситель колебаний ← {7; {10^11}; 17; {19^21}; 25; {26^27^28}; {29^30^31}; {32^33^34}}; Амортизатор ← {{4^5^6^7}; {12^13^14^15}; 18; {19^21^22}; {24^25}; {26^27^28};{29^30}; {32^33^34}}.

Рис. 1.53. Схематические изображения классификационных признаков табл.1.9.

- разновидности элементов рессорного подвешивания;

- материалу рессор;

- виду статической характеристики;

- конструктивному исполнению;

- эксплуатационной характеристике;

- области первоочередного применения.

На сегодня в вагоностроении существует три класса элементов рессорного подвешивания: упругие элементы 1, гасители колебаний 2 и амортизаторы 3 (табл. 1.9, рис. 1.53). Упругие элементы имеют бесконечно малое внутреннее сопротивление. При нагружении оно, как правило, не учитывается. Для упругих элементов характерно то, что величина нагружения равна величине отдачи при обезгруживании. Они конструктивно предельно просты. К ним в вагоностроении относят пружины и торсионы. Гасители колебаний, демпферы и катаракты – это преобразователи механической энергии колебательного движения в тепловую - за счет работы внутренних сил трения. Возвращающими свойствами они, как правило, не обладают. В вагоностроении применяют гасители колебаний сухого и вязкого трения. Первые, - неправильно называют фрикционными (лат. frictio трение) гасителями колебаний, правильное название гасители колебаний сухого трения, а вторые, - гасителями колебаний вязкого трения. Гасители колебаний сухого трения конструктивно предельно просты, в противовес им гидравлические – имеют более сложную конструкцию. Амортизаторы – это такие элементы рессорного подвешивания, которые имеют значительное внутреннее трение, которым при расчетах и в работе пренебрегать уже нельзя. К ним относят: металлические листовые, кольцевые, тарельчатые, резиновые и пневматические рессоры. Они совмещают в себе свойства упругих элементов и гасителей колебаний. В вагоностроение наибольшее применение в рефрижераторных вагонах имеют металлические листовые рессоры, пневматические, - в высокоскоростном движении и резино-металлические блоки – в центральной ступени подвешивания вагонов городского транспорта.

В п. 1.5.1 говорится, для какой цели используются элементы рессорного подвешивания в вагонах. При перевозках пассажиров опасными являются частоты от 2 до 30 Гц, так как в этом диапазоне находятся резонансные частоты отдельных частей тела (см. рис. 1.48, табл. 1.8). Поэтому делается все, чтобы исключить или минимизировать по времени их воздействие на кузов вагона. В этом решающую роль играет рессорное подвешивание. Оно снижает частоты, передаваемые на кузов вагона 4. Это одна из ответственных и важных ролей рессорного подвешивания. Для грузовых вагонов уменьшение частоты колебаний кузова вагона рассматривается, как один из способов уменьшения вибрационного воздействия на грузы, упаковку и размещение их в вагонах. Вагоностроители идеалом поведения вагона при движении имеют состояние самолета во время полета в воздушном невозмущенном потоке. Поэтому делается все, чтобы любые перемещения кузова вагона при движении были бы минимизированы 5. Это положительно воспринимается пассажирами и грузами. Динамические нагрузки возникают в процессе движения, их величина довольно значительна и она усиливает нагружение вагона. Особенно это ощущается при высокоскоростном движении, поэтому проблема уменьшения динамических нагрузок на вагон 6 очень важна. Два направления достижения этого: снижение массы необрессоренных частей и использование более «мягкого» рессорного подвешивания. Как и в любой динамической системе, в вагоне и в отдельных его частях при определенных условиях может возникнуть резонанс. Резонанс характеризуется беспредельным увеличением амплитуды колебаний вплоть до разрушения конструкции. Этого допустить никак нельзя. Поэтому ограничение амплитуды колебаний в области резонансных частот 7 более чем желательно.

Элементами рессорного подвешивания являются: пружины, торсионы, гасители колебаний сухого и вязкого трения, металлические листовые, кольцевые, пластинчатые, тарельчатые, резиновые, пневматические и другие рессоры. Пружина 8 – упругий элемент для временного накопления энергии в результате ее упругой деформации при нагружении и возвращения ее при снятии нагрузки. Пружины отличается простотой изготовления и установки. Торсион (франц. torsion скручивание) 9 – упругий элемент в виде гибкого упругого вала, работающего на кручение в стесненных условиях, Также как и пружина, это конструктивно простой элемент, но в рессорном подвешивании вагонов используется редко, только в экспериментальных целях. В вагонах для недопущения появления резонанса и успокоения хода используются гасители колебаний сухого и вязкого трения. Так как они не обладают упругими свойствами, то их совмещение с упругими элементами увеличивает жесткость рессорного подвешивания. Это в известной мере рассматривается, как недостаток. Его стремятся устранить за счет использования регулируемого демпфирования, за счет управляемых гасителей колебаний, которые включаются в работу только при достижении определенной амплитуды колебаний. Гасители колебаний сухого трения 10, как наиболее простые используются в грузовых вагонах. Однако они имеют нестабильные характеристики, которые изменяются из-за приработки поверхностей трения. При этом величина их относительного трения, и так небольшая, уменьшается до 5 – 8%. Гасители колебаний вязкого трения 11 конструктивно представляют собой более сложные устройства. Они обеспечивают необходимый уровень демпфирования, определяемый коэффициентом относительного трения во всем диапазоне эксплуатационных скоростей и до тех пор, пока в гасителе есть необходимое количество рабочей жидкости. Эти гасители могут работать в системе регулируемого демпфирования.

Металлические листовые 12, пневматические 13, резиновые 14 рессоры относятся к амортизаторам, т.е. тем элементам рессорного подвешивания, которые имеют упругие и демпфирующие свойства. Они обладают значительным внутренним трением, и оно учитывается при работе такой рессоры. У металлической листовой рессоры внутреннее трение создается конструктивно за счет соединения листов. Для этого каждый лист выполняется со своей кривизной. Соединяясь вместе, каждый нижний более короткий лист имеет меньший радиус кривизны, и его концы трутся о поверхность верхнего листа. Так создаются силы трения в конструкции, у которой каждый отдельный лист, как и пружина, имеет пренебрежительно малое внутреннее трение. Трение в такой рессоре может быть значительным, так как количество листов достигает 13. Силы трения в листовой рессоре не постоянны. Кроме того, металлические листовые рессоры имеют значительный вес, создающий трудности в эксплуатации, особенно в «полевых» условиях. Сейчас листовые рессоры используются только в тележках изотермических вагонов. Пневматические рессоры, как рессоры, стали использоваться с начала 70-х годов ХХ века, когда исследования японской фирмы «Sumimoto» указали на возможность получения необходимого демпфирования за счет перетекания воздуха в трубопроводах рессоры. Эти рессоры используются в вагонах высокоскоростных поездов, в системах управляемого наклона кузова и при создании рессорного подвешивания с регулируемой жесткостью. Резиновые рессоры использовались в вагонах в 60-х годах ХХ века. Однако из-за особенных свойств резины дальнейшее их применение определилось в создание резино-металлических, сайлент-блоков (бесшумных рессор). Они в настоящее время используются в центральном подвешивании вагонов городского транспорта. Другие рессоры (кольцевые, тарельчатые и т.п.) в рессорном подвешивании современных вагонов применяются очень редко.

Материалы элементов рессорного подвешивания, должны обладать упругими 16, демпфирующими 17 или упруго-демпфирующими 18 свойствами (см. также п. 1.5.2).

Выбор материала для элементов рессорного подвешивания определяется имеющимися возможностями промышленности, а также тем положением, которое занимает в современном обществе потенциальный потребитель. Поэтому в вагоностроении в рессорном подвешивании широко используются стали 19, резина 20, жидкости 21 и воздух 22. Стали (нем. Stahl – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими элементами) являются материальной основой практически всех отраслей техники. Они имеют пренебрежительно малое для динамики внутреннее трение и рассматриваются как безусловные обладатели только упругих свойств. Они хорошо работают при любых нагрузках, податливы на технологические изменения, при использовании различных легирующих (лат. ligo связывать – введение в состав металлов легирующих элементов для придания сплавам определенных физико-химических и механических свойств) добавок приобретают новые полезные свойства, относительно недороги и в наибольшей степени используются при создании элементов рессорного подвешивания вагонов. Резина (лат. resina смола – продукт вулканизации резиновой смеси) относится к большому классу эластомеров, полимерных материалов с высокоэластичными свойствами, работающими в широком диапазоне температур. При изменении формы, вследствие своего строения, у них возникает внутреннее трение, значительное при частотах более 100 Гц. Практическое применение резина нашла в составе резино-металлических соединений, сайлент-блоков, в центральном подвешивании вагонов городского транспорта и как различные шумоизолирующие прокладки. Жидкости, подобно твердым телам, обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, а как газы, не обладают свойством сохранять форму и легко текут. Вязкостные свойства жидкостей используют в катарактах (см.п.1.5.1), демпферах, в рессорном подвешивании вагонов. Воздух – обладает упругими свойствами, легко сжимается. При течении по трубопроводам за счет вязкости возникают силы трения, достаточные для демпфирования в рессорном подвешивании вагонов. Таким образом, стали обладают только упругими, жидкости – демпфирующими, а резина и воздух – упруго-демпфирующими свойствами.

Статическая характеристика элементов рессорного подвешивания – это графическое выражение изменения деформации рессорного подвешивания под нагрузкой. С этой точки зрения различают линейную 23, нелинейную 24 и комбинированную 25 характеристики. Она в наглядной форме дает представление о характере изменения нагрузок и деформаций при нагружении и разгружении рессорного элемента, количественные энергетические затраты на эти изменения, а также соотношения и величины упругих и демпфирующих свойств в подвешивании.

Конструктивно элементы рессорного подвешивания могут быть автономными 26, автономными совмещенными 27 и встроенными 28. Чаще всего они исполняются автономными. Их легче заменять в полевых условиях, модернизировать. Упругие элементы без гасителей колебаний не могут использоваться в рессорном подвешивании. Поэтому пружины, как один из самых распространенных упругих элементов, необходимо либо совмещать с гасителями колебаний или встраивать их один в другой. При таком положении элементы рессорного подвешивания работают параллельно. Регулировать работу упругих элементов и гасителей колебаний такого комплекта можно только за счет конструкционных подходов.

Характеристику элементов рессорного подвешивания стараются поддерживать постоянной 29, но это не всегда удается, и она изменяются 30 с течением времени, как правило, в сторону ухудшения. Было бы желательно, если бы в дорезонансной зоне гасители колебаний не увеличивали жесткость рессорного подвешивания, а при приближении к резонансу – включались бы в работу, т.е. были бы регулируемыми 31 (это же касается и упругих свойств). Такие условия работы можно создать в пневматических рессорах и в системах с активной подвеской кузова.

Структурно-логический граф тех свойств, которыми должен бы обладать предполагаемый элемент рессорного подвешивания, приводится как пример того, что можно получить, используя принцип классификационного конструирования (см. табл.1.9).