5.2. Первая ступень - буксовое рессорное подвешивание
Букса является частью первой ступени буксового рессорного подвешивания. Первая ступень подвешивания является промежуточным эластичным звеном между рамой тележки и колесными парами: назначение ее – смягчать удары, передаваемые кузову электровоза и вызванные неровностями пути, передавать вес кузова и тележек на отдельные колесные пары и выравнивать нагрузки на колесные пары, а также уменьшать воздействие электровозов на путь.
Подвешивание может быть независимым и сбалансированным (сопряженным). Если нагрузка рамы тележки передается на каждую буксу через отдельные эластичные элементы (рессоры, пружины, резинометаллические блоки), не связанные с эластичными элементами других колесных пар, то такое подвешивание называется независимым. При независимом подвешивании давление колес на рельсы зависит от колебаний надрессорного строения, правильности развески, состояния элементов подвешивания и других факторов. (Неравенство нагрузок ухудшает использование сцепного веса, ограничивает величину развиваемой электровозом силы тяги). Для равномерного распределения (статического и динамического) нагрузок по колесным парам одной тележки эластичные элементы подвешивания соединяют между собой балансирами (ВЛ60ПК). Свойства получаемого таким путем сбалансированного подвешивания зависят от его конструкции. Для улучшения работы система должна иметь минимальное трение и инерцию.
Различают верхнюю, нижнюю и промежуточную системы подвешивания. В первом случае эластичные элементы располагаются над буксами (надбуксовое подвешивание), а во втором – под буксами (подбуксовое подвешивание) колесных пар. Третья система, промежуточная – характеризуется расположением эластичных элементов сбоку от букс при одном или различных уровнях. (Верхнее применялось на ВЛ8 (рис.4.6), нижнее применено ВЛ60, 80, ЧС2 (рис.4.7), промежуточное применено ЭР2, ЭП1, ЭР200).
У грузовых электровозов конструкция буксовой ступени рессорного подвешивания унифицирована.
5.3. Вторая ступень-центральное рессорное подвешивание
Вторая ступень подвешивания состоит из упругих элементов в узлах связи кузова и тележек: шкворневых устройствах, упругих боковых опор, гасителей колебаний и др.
5.4.Упругие элементы рессорного подвешивания
Рессорное подвешивание состоит из упругих элементов, гасителей колебаний, возвращающих и стабилизирующих устройств. Комплекс этих элементов обеспечивает снижение ускорений колебательного движения и уменьшение воздействия динамических сил на конструкцию вагона, создавая плавный ход подвижного состава в процессе эксплуатации. При этом параметры рессорного подвешивания должны соответствовать нормативным значениям и не должны существенно изменяться с течением времени. Упругие элементы, являясь основной составной частью рессорного подвешивания, смягчают толчки и удары, действующие на движущийся вагон со стороны рельсового пути. У неподвижного вагона упругие элементы испытывают лишь воздействие статической нагрузки, прогибаясь на величину, называемую статическим прогибом. В качестве упругих элементов вагонов применяют витые стальные пружины, резиновые, пневматические, торсионные, тарельчатые, кольцевые и другие типы упругих элементов. В последнее время все большее распространение получают пневматические, резинометаллические, торсионные и другие типы рессор. Пневматические рессоры, являющиеся наиболее прогрессивными упругими элементами ходовых частей, применяют в тележках пассажирских вагонов скоростных поездов. Основным преимуществом их перед другими типами упругих элементов является способность поддержания положения кузова на определенном уровне относительно головок рельсов независимо от величины нагрузки, что обеспечивается автоматическим регулированием давления воздуха внутри рессоры. Кроме того, они обладают хорошими вибро- и шумогасящими свойствами, что обеспечивает комфорт пассажирам. Пневматические рессоры имеют также меньшую массу. Однако они сложнее по конструкции и обслуживанию в эксплуатации, так как требуют наличия источника питания рессор воздухом, системы трубопроводов и арматуры.
Элементы системы рессорного подвешивания можно объединить в две основные группы: упругие и диссипативные. К первой группе относятся металлические пружины различных конструкций. Ко второй группе относят листовые рессоры, гидравлические и фрикционные гасители колебаний, эластичные пружины, т. е. такие элементы в которых возникает сила трения (диссипации), которая способствует гашению-демпфированию колебаний.
Упругие элементы – детали, жёсткость которых намного меньше, чем у остальных, а деформации выше. Благодаря этому своему свойству упругие элементы первыми воспринимают удары, вибрации, деформации.
В подвижном составе применяется много различных упругих элементов: пружины, рессоры, демпферы, амортизаторы.
Основной характеристикой пружины, как и всякого упругого элемента, является жёсткость или обратная ей гибкость-податливость. Жёсткость K определяется зависимостью упругой силы F от деформации x. Если эту зависимость можно считать линейной, как в законе Гука, то жёсткость находят делением силы на деформацию K = F / x. Если зависимость нелинейна, как это и бывает в реальных конструкциях, жёсткость находят, как производную от силы по деформации K=∂F/∂x. Очевидно, что здесь нужно знать вид функции F=f(x).
Податливость — уступчивость, послушность, покладистость; пластичность, легкость, мягкость, сговорчивость, гибкость, уживчивость. Ant. неподатливость, непослушность Словарь русских синонимов.
Иногда упругий элемент скрыт под видом другой детали, например, тонкого торсионного вала, шпильки с длинной тонкой шейкой, тонкостенного стержня, прокладки, оболочки и т.п. Однако и здесь опытный конструктор сможет распознать и применять такой "замаскированный" упругий элемент именно по сравнительно малой жёсткости.
Упругие элементы находят широчайшее применение:
- для амортизации (снижение ускорений и сил инерции при ударах и вибрации за счёт значительно большего времени деформации упругого элемента по сравнению с жёсткими деталями, например рессоры автомобиля);
- для создания постоянных сил (например, упругие и разрезные шайбы под гайкой создают постоянную силу трения в витках резьбы, что препятствует самоотвинчиванию, сил прижатия диска муфты сцепления);
- для силового замыкания кинематических пар, чтобы исключить влияние зазора на точность перемещения, например в распределительном кулачковом механизме двигателя внутреннего сгорания;
- для аккумуляции (накопления) механической энергии (часовые пружины, пружина оружейного бойка, дуга лука, резина рогатки и т.д.);
- для измерения сил (пружинные весы основаны на связи веса и деформации измерительной пружины по закону Гука);
- для восприятия энергии удара, например буферные пружины, применяемые в железнодорожных составах, артиллерийских орудиях;
Обычно упругие элементы выполняются в виде пружин различных конструкций (рис. 5.2.
Рис. 5.2 - Конструкции витых пружин
Основное распространение в машинах имеют упругие пружины растяжения (а), сжатия (б) и кручения (в) с различным профилем сечения проволоки. Применяются также фасонные (г), многожильные (д) и составные пружины (е) имеющие сложную упругую характеристику применяющиеся при сложных и высоких нагрузках. Цилиндрическая или коническая форма пружин удобна для размещения их в машинах.
В упругих пружинах сжатия и растяжения витки подвержены кручению. Цилиндрическая форма пружин удобна для размещения их в машинах.
Разработано множество конструкций специальных пружин (рис. 5.3).
Рис. 5.3 - Специальные пружины
Наиболее часто используемые – тарельчатые (а), кольцевые (б), спиральные (в), стержневые (г) и листовые рессоры (д), обладающие кроме амортизирующих свойств высокой способностью гасить (демпфировать) колебания за счёт трения между пластинами. Кстати, такой же способностью обладают и многожильные пружины (рис. 1.д).Тарельчатые пружины применяют при больших нагрузках, малых упругих перемещениях и стесненных габаритах по оси приложения нагрузки.
Кольцевые и тарельчатые пружины применяются в буферах железнодорожного подвижного состава.
На пассажирских вагонах применяется дисковый тормоз, на ось каждой колесной пары тележки напрессованы две ступицы 3, а на осях укреплены чугунные тормозные диски диаметром 620 мм, имеющие внутри ребра и вентиляционные каналы для лучшего отвода тепла, выделяемого при торможении. Диск состоит из двух полудисков, соединенных между собою болтами. К ступице диск прикреплен болтами с разрезными втулками и тарельчатыми пружинами.
Тарельчатые пружины толщиной листа 0,1 до 24 мм применяются для обеспечения высоких силовых нагрузок при малых деформациях. Наиважнейшим параметром влияющим на качество тарельчатых пружин- является чистовая отделка поверхности пружины. Наличие неровностей, следов коррозии обработки, прочих дефектов возникших вследствие изготовления или заложенных изначально в металле, является причиной образования трещин и раннего разрушения пружины. (ГОСТ 3057-90). Основным элементом упругой муфты межтележечного сочленения ЧС4 является тарельчатая пружина.
Пластинчатые пакетные рессоры за счёт своего высокого демпфирования успешно применялись с первых шагов транспортного машиностроения ещё в подвеске карет, применялись они и на электровозах, и электропоездах первых выпусков, где были из-за нестабильности сил трения позже заменены витыми пружинами с параллельными демпферами, их можно встретить в некоторых моделях автомобилей и строительно-дорожных машин.
Спиральные пружины кручения обычно имеют следующий вид:
Рис. 5.4 - Спиральные пружины
Пружины кручения изготавливаются из специальной проволоки, диаметр которой может варьироваться от 0,3 мм до 4 см. в основе работы пружины кручения лежит преобразование деформации сжатия и растяжения в деформацию кручения металла, из которого она изготовлена, и наоборот, преобразование из деформации кручения в деформацию сжатия и растяжения. Так как пружины кручения в процессе эксплуатации все время подвержены деформации, вследствие внешних нагрузок то пружинная проволока должна обладать повышенной упругостью. Поэтому для производства пружин используется металл, который обязательно прошел термообработку. Именно этот технологический процесс обеспечивает упругость материалу. Изготовление пружин производится из пружинной проволоки следующих марок стали: 60С2А, Ст70, 65Г, 55С2. Пружины кручения отличаются между собой по форме: винтовые и невинтовые. В свою очередь винтовые пружины делятся на два вида: конические и цилиндрические, а невинтовые на пластинчатые, спиральные и тарельчатые. Количество витков в пружине кручения не является стандартной величиной и определяется сферой применения данного вида пружины.
Широко применяются неметаллические упругие элементы (рис. 5.5), выполненные, как правило, из резины или полимерных материалов.
Рис. 5.5 - Типовые резиновые упругие элементы
Такие резиновые упругие элементы применяются в конструкциях упругих муфт, виброизолирующих опор (рис. 5.6), мягких подвесок агрегатов и ответственных грузов. При этом компенсируются перекосы и несоосности. Для защиты резины от износа в них применяют металлические детали – трубки, пластины и т.п. материал элементов – техническая резина с пределом прочности σв =8 МПа, модуль сдвига G = 500…900 МПа. В резине, из-за малого модуля упругости, рассеивается от 30 до 80 процентов энергии колебаний, что примерно в 10 раз больше, чем у стали.
Рис. 5.6 - Упругая опора вала
Пружины и резиновые упругие элементы применяются в конструкциях некоторых ответственных зубчатых колёс, где они сглаживают пульсации передаваемого вращающего момента, заметно увеличивая ресурс изделия (рис. 5.7).
Рис.5.7 - Упругие элементы в зубчатых колёсах:
а – пружины сжатия, б – пластинчатые пружины
Здесь упругие элементы встраиваются в конструкцию зубатого колеса.
Для больших нагрузок при необходимости рассеяния энергии вибрации и ударов применяют пакеты упругих элементов (пружин).
Идея состоит в том, что при деформации составных или слоистых пружин (рессор) энергия рассеивается за счёт взаимного трения элементов, как это происходит в слоистых рессорах и многожильных пружинах.
Пластинчатые пакетные рессоры за счёт своего высокого демпфирования успешно применялись с первых шагов транспортного машиностроения ещё в подвеске карет, применялись они и на электровозах, и электропоездах первых выпусков, где были из-за нестабильности сил трения позже заменены витыми пружинами с параллельными демпферами, их можно встретить в некоторых моделях автомобилей и строительно-дорожных машин.
Материалы для пружин должны иметь высокие и стабильные во времени упругие свойства. Основным материалом для пружин являются высокоуглеродистые стали (У9А…У12А), стали легированные кремнием (60С2А), марганцем (65Г), хромом, ванадием, никелем (50ХГА, 50ХФА, 65С2ВА и др.).
Пружины из проволоки диаметром до 8…10 мм изготавливают холодной навивкой, преимущественно прошедшей термообработку, а после навивки подвергают только отпуску. Пружины из проволоки большего сечения навивают в горячем состоянии, затем закаливают. Пружины, подвергнутые переменным напряжениям, дополнительно подвергают пластическому деформированию, так называемому заневоливанию.
Основной характеристикой пружины, как и всякого упругого элемента, является жёсткость или обратная ей податливость. Жёсткость K определяется зависимостью упругой силы F от деформации x. Если эту зависимость можно считать линейной, как в законе Гука, то жёсткость находят делением силы на деформацию K = F / x.
Если зависимость нелинейна, как это и бывает в реальных конструкциях, жёсткость находят, как производную от силы по деформации K=∂F/∂x.
Очевидно, что здесь нужно знать вид функции F=f(x).
Упругие элементы требуют весьма точных расчётов. В частности, их обязательно рассчитывают на жёсткость, поскольку это главная характеристика. При этом неточности расчетов не могут быть компенсированы запасами жесткости.
Однако конструкции упругих элементов столь разнообразны, а расчётные методики столь сложны, что привести их в какой-либо обобщённой формуле невозможно.