1.6. Рама тележки

В ходовые части входит много элементов (см.п.1.1). В современных вагонах их объединяют в тележках. При этом основной объединяющей частью тележки является та часть, которая обычно называется рамой (нем. Rahmen геометрически неизменяемая стрежневая система, элементы которой (продольные и поперечные элементы) во всех или некоторых узлах жестко соединенные между собой; есть еще понятие «ферма» от лат. firmus крепкий, прочный – стержневая несущая конструкция из продольных и поперечных элементов с раскосами, шарнирно соединенными между ними. В стержнях такой конструкции возникают только продольные (растягивающие или сжимающие) усилия. Ферма с прямоугольной решеткой и жестким соединением стержней, работающих на изгиб, называется безраскосной).

То, что мы называем рамой тележки, трудно идентифицировать понятием «рама» в смысле строительной механики. У нас - это обобщающее понятие такой конструкции, к которой крепятся, навешиваются, устанавливаются или присоединяются все те элементы ходовых частей, которые в совокупности определяют тележку. Рама тележки может быть любого вида: сплошной, решетчатой, стержневой, оболочковой, простой, сложной, замкнутой, открытой, изменяемой, неизменяемой и какой-либо другой формы. Она должна быть всегда несущей, воспринимать основные нагрузки на ходовые части и обеспечивать ее прочность, жесткость и устойчивость. Как и любая конструкция, относящаяся к рамам, рама тележки чаще всего выполняется в виде стержневой конструкции произвольной решетчатой формы с обязательными продольными и поперечными элементами.

1.6.1. Условия работы

Так как рама тележки – несущая конструкция, то она воспринимают нагрузки от пути и от кузова.

Общий тон поведения вагону задают колесные пары. Они представляют собой гениальную конструкционную находку, которая решает проблемы:

- вписывания в кривые участки пути;

- возвращения колесной пары в центральное положение при исчезновении условий ее отклонения;

- компенсации действия боковых сил за счет смещения колесной пары поперек рельсовой колеи;

- виляния колесной пары;

- образования равномерного износа поверхности катания;

- снижения сопротивления качения за счет сохранения зазоров между гребнями колес и рельсами в условиях нормального движения;

- безопасности движения за счет ограничения поперечного перемещения колесной пары в рельсовой колее

Кузов в процессе движения совершает сложные колебательные движения, на ходовые части передаются продольные нагрузки тяги, действуют боковые силы, вертикальные нагрузки от груза и пр., от ходовых частей на кузов передаются усилия торможения, взаимодействия колесных пар с рельсами, усилия взаимодействия элементов ходовых частей между собой и пр. Все это сложное нагружение воспринимают рамы тележек.

Проблема вписывания в кривые участки пути заключается в том, что нужно изменить прямолинейное движение на криволинейное, обеспечив при этом радиальное расположение колесной пары. Для этого в кривом участке пути колесо, катящееся по наружному рельсу более длинному, чем внутренний, должно пробегать больший путь, чем колесо, катящееся по внутреннему рельсу. Это достигается конической формой поверхности катания колес. Они в колесной паре образуют двойной конус, за счет которого она перемещается в рельсовой колее. Так при входе в кривую, колесная пара за счет центробежных сил и разбега смещается по направлению к наружному рельсу. При этом уменьшается зазор между наружным рельсом и гребнем наружного колеса и увеличивается зазор между гребнем внутреннего колеса и внутреннего рельса. От этого наружное колесо опирается на рельс большим диаметром, а внутреннее – меньшим. Соответственно и путь, пробегаемый наружным колесом, будет длиннее, чем у внутреннего, а колесная пара будет занимать радиальное положение в кривой.

При выходе из кривой действие центробежной силы исчезает и колесная пара, подобно отклоненному маятнику, за счет двойного конуса из отклоненного состояния возвращается в центральное положение, при котором между гребнями колес и рельсами устанавливаются равные зазоры. Сопротивление качению обеих колес выравнивается и становится минимальным. Такое положение колесной пары в рельсовой колее считается наиболее предпочтительным, и его стараются достигнуть.

При любом боковом воздействии на вагон будет происходить смещение колесной пары от центрального положения. В этих случаях колеса будут опираться на рельс разными диаметрами и пробегать разные расстояния – траектория движения колесной пары будет напоминать походку человека, при которой корпус тела поворачивается относительно вертикальной оси. Такой процесс называется вилянием (о нем мы указывали в п. 1.3.2). Он неприятен тем, что при скоростях более 160 км/ч он становится недопустимым по условиям безопасности движения колесной пары.

Перемещение колесной пары поперек рельсовой колеи необходимо для обеспечения равномерного износа поверхности катания, образования так называемого равномерного проката. Это не только фактор износа, но и одно из условий обеспечения плавность хода всего вагона.

Для колесной пары желательно наличие постоянных зазоров между гребнями колес и головками рельсов. Это уменьшает сопротивление движению из-за уменьшения поверхности взаимного контакта. Сохранить такое положение не просто, так как этот процесс зависит от много: условий движения, действующих нагрузок, ширины колеи, размеров и формы поверхностей катания. Все причины этого взаимоувязаны и не могут устанавливаться независимо друг от друга.

Как видно из всех выше описанных случаев, колесная пара при движении совершает сложные эволюции (лат. ēvolutio развитие – передвижения, связанные с перестроением определенных единиц): вращается, поступательно перемещается вдоль пути и совершает колебательные движения поперек рельсовой колеи. Все это ее естественные движения. При этом они не стационарны и не регулярны. Поведение колесной пары в этих случаях - случайный, и при существующей конструкции колесной пары - самоустанавливающийся во многом неизученный процесс.

Влияет на поведение тележки и кузов вагона. Изначально он опирался на две тележки в двух точках, в направляющих сечениях, в системе «пятник-подпятник» (см. п.3 [2]). Это было сделано для того, чтобы при вписывании в кривую, тележка относительно свободно поворачивалась в месте соединения с кузовом. Затруднения с таким поворотом приведет к тому, что кузов заставит двигаться тележку по касательной к кривой. Это приведет к увеличению сопротивлению движения, повышенному износу и большим рамным силам. Следовательно, такого допускать нежелательно. Поэтому при погрузке таких вагонов должна производиться центровка груза, устанавливаться определенные зазоры в скользунах, выбираться необходимые размеры вагона и их габаритные ограничения.

Изначально все выше приведенные явления регулировались автоматически – свободным поведением колесных пар и небольшим моментом трения в соединении кузова с тележкой. Сейчас же мы все больше и больше включаемся в управление этими процессами. Такие включения должны быть обязательно дозированными и направленные только на определенные условия применения. Распространять их на все условия движения и разный подвижной состав преждевременно. Решение этих задач нужно находить либо в упругом соединении колесной пары с рамой тележки и в системе «пятник-подпятник», либо в обеспечении необходимых зазоров для их автоматического устранения.