5.11. Возвращающие и стабилизирующие устройства
В тележках вагонов применяют возвращающие устройства, которые служат одновременно для смягчения боковых толчков, возникающих вследствие набегания гребней колес при извилистом движении колесных пар на прямых участках пути и при входе вагона в кривые, а также для возвращения отклоненного кузова под действием поперечных сил в среднее положение. Возвращающие устройства, применяемые в тележках вагонов, бывают двух типов, различающиеся по принципу действия и конструктивному выполнению. К первому типу относятся устройства, возвращающая сила которых создается за счет использования силы тяжести кузова, воздействующего на тележку. К подобным устройствам относятся конструкции, имеющие ролики (катки), размещенные между наклонными плоскостями (рис. 5.20, а). При поперечном отклонении тележки относительно кузова возникает возвращающая сила Н, не зависящая от величины отклонения тележки. Если же ролики (катки) вместо наклонных плоскостей разместить в овальных (цилиндрических или выполненных по особому профилю) углублениях (система В.И. Бабина), то возвращающая сила Н будет возрастать по определенному закону с увеличением поперечных отклонений тележки в связи с ростом угла а от нуля (среднее положение) до максимального значения (максимальное отклонение тележки). К первому типу, в котором возвращающая сила создается за счет использования силы тяжести кузова, относится также люлечное подвешивание (рис. 5.20, б). При горизонтальном отклонении надрессорной балки 4, расположенной на упругих элементах 3, произойдет изменение наклона люлечных подвесок 2, что и вызовет появление горизонтального возвращающего усилия.
Рисунок 5.20 -
Люльки бывают с вертикальными и наклонными подвесками 2. Вертикальные люлечные подвески при отклонении остаются параллельными между собой, а подрессорная балка при этом остается параллельной первоначальному положению. В случае наклонных люлечных подвесок 2 создается большая величина возвращающей силы, зависящая от первоначального угла их наклона, но при этом происходит нежелательный наклон подрессорной балки 7, а иногда перекос и кручение кузова вагона. Во втором типе возвращающего устройства возвращающая сила обеспечивается за счет использования поперечной упругости упругих элементов рессорного подвешивания. В современных тележках грузовых вагонов, например, функции возвращающих устройств выполняют пружины, возвращающая сила которых пропорциональна величине их горизонтальной упругой деформации. В тележках пассажирских вагонов роль возвращающих устройств совместно с люлькой выполняют упругие поводки, а также пневматические и другие типы упругих элементов подвешивания. Одной из важнейших мер для улучшения плавности хода вагона в вертикальном направлении является увеличение гибкости рессорного подвешивания. Однако при этом возрастает боковая качка кузова и ухудшение поперечной устойчивости вагона. В этом случае применяют особые устройства — стабилизаторы, которые обеспечивают упругое сопротивление только крену кузова и позволяют значительно увеличить суммарный статический прогиб рессорного подвешивания вагона. В подвешивании могут быть использованы рычажные, торсионные и другие типы стабилизаторов боковой качки вагонов. Рычажный стабилизатор (рис. 5.21, а) включает в себя два равноплечих рычага 3 и 6, прикрепленных шарнирами 5 к надрессорной балке 7. Своими концами 2 рычаги 3 опираются на люлечные подвески 7, а противоположные концы рычагов с помощью валиков соединены между собой серьгами 4. Такое устройство противодействует наклону надрессорной балки тележки и препятствует боковой качке кузова, не влияя на вертикальные перемещения.
Рисунок 5.21 –Торсионный стабилизатор (рис. 5.21, б) состоит из двух торсионов 2, свободно вращающихся в подшипниках 1, прикрепленных к раме тележки 6. Надрессорная балка 5 шарнирно соединена подвесками 5 с изогнутыми концами 4 торсионных стержней. Такое стабилизирующее устройство обеспечивает восстанавливающие моменты от скручивания торсионов при боковом отклонении кузова и противодействует его наклону.
Схемы и элементы рессорного подвешивания
Электровозы ЧС4, ЧС4Т и ЧС2Т. Кузов электровоза опирается на две трехосные тележки (рис. 6.1,а и б), соединенные упругим горизонтальным сочленением Электровозы имеют две ступени рессорного подвешивания. Первая — буксовая — состоит из пружин 2, поводков с резинометаллическими блоками, под-буксового балансира и гидравлических гасителей колебаний (на рис. 6.1,а и б они не показаны), вторая — из пружин опор кузова и пружин шкворневого узла.
Передача вращающего момента от вала тягового двигателя к шестерне осуществляется приводом специальной конструкции, обеспечивающей компенсацию изменения расстояния между осью колесной пары и валом тягового двигателя при движении электровоза. Поводковая группа, с помощью которой букса закреплена в раме тележки, допускает упругие перемещения оси в поперечном (горизонтальном) направлении с жесткостью 45—80 кН/мм, в продольном — 70 кН/мм, в вертикальном — 0,55 кН/мм. Жесткость пружины буксового подвешивания составляет 0,46 кН/мм.
Вертикальная жесткость первой ступени подвешивания (на колесо) определяется суммарной жесткостью пружин и жесткостью параллельно включенной с ней вертикальной поводковой группы
Наличие параллельно включенного упругого элемента (поводковой группы) со значительной жесткостью не позволяет создать первую ступень рессорного подвешивания достаточно мягкой. Так, уменьшение жесткости пружин вдвое приводит к снижению суммарной жесткости лишь на 30%. Чтобы обеспечить при этом необходимую прочность пружин, их габаритные размеры пришлось бы значительно увеличить, что невозможно. Это обстоятельство является одной из основных причин, по которой вертикальное рессорное подвешивание электровоза выполнено двухступенчатым.
Рис 6.1.- Схемы рессорного подвешивания 1-й (а) и 2-й (б) тележек электровоза ЧС2Т и тележки электровоза ВЛ60*(в):/ — листовая рессора, 2 — цилиндрическая пружина, 3 — рама тележки, 4 — жесткий продольный балансир
Вторая ступень подвешивания состоит из упругих боковых опор (см. рис 25),
через которые масса кузова передается на рамы тележек. Расположение боковых опор и жесткость второй ступени подвешивания определяются условиями рационального использования сцепного веса локомотива при реализации сил тяги, выбора оптимального демпфирующего момента, который гасит горизонтальные колебания локомотива, и рационального восприятия массы кузова рамой тележки. Последнее достигается тем, что скользуны боковых опор на боковинах рамы тележки размещаются над пружинами буксового подвешивания, что значительно снижает изгибающие моменты и соответственно напряжения, определяемые данной нагрузкой.
Сила тяги, создаваемая в месте контакта колеса с рельсом во время движения, через буксовые поводки передается на раму тележки, а от нее через шкворень и раму кузова — на автосцепку Все возникающие при этом силы (на поводках, шкворне и автосцепке) действуют параллельно оси пути и приложены на разных уровнях от головок рельсов На кузов действуют силы Р, приложенные к шкворням на расстоянии, например, 1000 мм от плоскости пути, и сила /\, приложенная к автосцепке на расстоянии 1055 мм от той же плоскости, т е. на кузов действует пара сил 2Р на плече 55 мм Создаваемый этой парой момент может быть уравновешен только моментом от реакций в боковых опорах Таким образом, первая по ходу тележка будет недогружена, а вторая — перегружена силой 0,00534 5.
Рама тележки, находящаяся под действием сил (сила тяги на ось), приложенных на уровне осей колесных пар, силы Р и моментов Мтд, являющихся реактивными по отношению к моментам тяговых двигателей, будет стремиться повернуться против часовой стрелки Моменты Мтд благодаря одностороннему расположению тяговых двигателей, частично уравновешивают момент, образованный силами Я и 2
Чем меньше жесткость второй ступени подвешивания, тем большая доля неуравновешенного момента должна быть компенсирована в первой, т. е. тем больше будут разгружаться одни оси и перегружаться другие. Значительная разгрузка оси может привести к боксованию. Таким образом, жесткость пружин второй ступени подвешивания не может быть ниже некоторого значения, обеспечивающего требуемый коэффициент использования сцепного веса. В данной конструкции жесткость комплекта пружин боковой опоры составляет 2 кН/мм.
Контакт опор главной рамы кузова с рамой тележки осуществляется через скользуны, обеспечивающие свободные при наличии трения поперечные и угловые горизонтальные перемещения тележки относительно кузова Момент трения опор при коэффициенте трения 0,1 составляет 15% момента трения колес. Возвращение кузова в соосное с тележками положение обеспечивается упругой поперечной связью шкворня с рамой тележки. Одна с другой тележки соединены упругой поперечной связью. Механизм их сочленения допускает свободное взаимное перемещение тележек на ±8 мм, что обеспечивает их независимое движение в прямых участках пути.
Для выбранной схемы вертикального рессорного подвешивания характерными являются «связанные» колебания системы, т. е. при возникновении одного из видов колебаний (например, галлопирования кузова) неизбежно появление и всех других видов (подпрыгивание и галлопирование тележек) . Естественно, при затухании одного из этих колебаний будут затухать и остальные, так как ни одно из них не может существовать самостоятельно, независимо от других. Это позволяет установить гидравлические гасители (см. § 10) только в одной ступени подвешивания На электровозах ЧС4 и ЧС4Т они применены в первой ступени — шесть гасителей на каждую тележку.
Размещать гидравлические гасители в первой ступени подвешивания более целесообразно, так как при колебании подрессоренных элементов перемещения между рамой тележки и буксами значительно больше перемещений между кузовом и рамой тележки, в связи с чем для рассеяния энергии колебаний одним гасителем требуются меньшие демпфирующие силы.
На электровозе ЧС2 рессорное подвешивание выполнено также двухступенчатым. В первой ступени установлены листовые рессоры, цилиндрические пружины и продольные балансиры, во второй — только листовые рессоры. Первая ступень подвешивания у тележек выполнена различно. У первой тележки (со стороны первой кабины машиниста) рессоры каждой стороны второй и третьей колесных пар соединены продольными балансирами, рессоры первой колесной пары связаны только с рамой тележки. У второй тележки все рессоры каждой стороны соединены продольными балансирами (как на электровозе ЧС4, см. рис. 6.1,6). Между листовыми рессорами и рамами, а также между этими рессорами и балансирами размещены цилиндрические пружины. При соединении балансирами двух или трех листовых рессор равнодействующая их нагрузок всегда проходит через одну и ту же точку независимо от нагрузки, передаваемой рессорами на отдельные колеса, т. е. в этом случае рессорное
подвешивание постоянно поддерживает требуемое распределение нагрузок между колесными парами независимо от состояния их элементов или прохождения локомотивом неровностей пути.
Первая тележка с каждой стороны имеет по две точки подвешивания. Одной из них являются сбалансированные рессоры второй и третьей колесных пар, а другой — рессоры первой колесной пары, т. е. первая тележка будет иметь всего четыре точки подвешивания. У второй тележки всего две точки подвешивания — по одной на каждую сторону, где сбалансированы рессоры всех колесных пар. Для этой тележки третьей точкой опоры служит межтележечное соединение, через которое передаются вертикальные усилия с рамы одной тележки на другую. Передача вертикальной нагрузки от рамы тележки на буксы осуществляется цилиндрическими пружинами, балансирами, листовыми рессорами и соединяющими их деталями. Листовые рессоры обеспечивают некоторое демпфирование колебаний в первой ступени подвешивания
Вторая ступень подвешивания состоит из боковых опор (две на каждую тележку) , листовых рессор и системы люлечного подвешивания. Через эти опоры передаются вертикальные силы (от веса кузова и др.). Продольные силы от рам тележек к кузову передаются через шкворневые узлы.
Грузовые электровозы. Электровозы ВЛ2 3 имеют рессорное подве шивание, состоящее из витых пружин, листовых рессор, балансиров и других соединительных элементов. Брусковая рама тележки опирается на буксы через продольные балансиры, рессорные стойки, накладки, чеки. Кузов опирается на рамы тележек двумя плоскими пятами и четырьмя дополнительными опорами.
На электровозе В Л 6 С/ рессорное подвешивание расположено в средней плоскости боковин рам и для обеих тележек выполнено одинаково. Оно (рис 6.1, в) состоит из листовых рессор /, цилиндрических пружин 2, балансиров 4 и соединяющих их элементов.
На электровозах ВЛ80 всех модификаций рессорное подвешивание также двухступенчатое. В первой ступени установлены цилиндрические двухрядные пружины 2 (рис. 6.2,а), листовые рессоры 1, шарнирно подвешенные к нижним частям букс Удары от колесной пары на подрессорное строение передаются через первую ступень, продольные силы от тележек на раму кузова — через шаровую связь (шкворневой узел).
Рис. 6.2 - Схемы рессорного подвешивания электровозов ВЛ80"(а) и ВЛ8 (б): / — листовая рессора, 2 — цилиндрические пружины; 3 — пружины опоры, 4 — шкворневое устройство, 5 и II — кузов; 6 — двухрядные цилиндрические пружины, опирающиеся на буксу; 7 — рессорная подвеска; 8 — продольный жесткий балансир; 9 — рама тележки; 10 — боковая опора
Вторая ступень представляет собой лю-лечное подвешивание, которое передает вертикальные и поперечные силы от кузова на рамы тележек и уменьшает горизонтальное и вертикальное воздействия электровоза на путь.
У электровозов ВЛ8 (рис. 6.2,6) рессорное подвешивание одноступенчатое; применено двойное подвешивание кузова И секции, состоящее из листовых рессор 1 и двухрядных цилиндрических пружин 6.
На двенадцатиосных электровозах ВЛ85 и ВЛ15 рессорное подвешивание выполнено как на электровозах ВЛ80 всех модификаций с помощью упругих тяг — поводков (продольная жесткость 80 кН/мм, поперечная 8 кН/мм). Кузов секции опирается на среднюю тележку удлиненными пружинными опорами, обеспечивающими боковое перемещение тележки в кривых. Тяговые и тормозные усилия от тележек к кузову передаются наклонными тягами, что позволяет автоматически выравнивать осевые нагрузки в тележке без применения специальных противоразгрузочных устройств, улучшать использование сцепного веса электровоза. Для обеспечения перемещения тележек относительно кузова и смягчения передаваемых сил наклонные тяги снабжены упругими элементами.
Электропоезда. На моторных вагонах электропоездов ЭР2, ЭР9Е применяют две ступени рессорного подвешивания — буксовое и центральное с витыми пружинами Параллельно витым пружинам включают демпфирующие устройства — фрикционные и гидравлические гасители колебаний Буксовое подвешивание тележек ЭР2 и ЭР9Е состоит из витых цилиндрических пружин 2 (рис. 6.3,а), опирающихся на стаканы буксового балансира.
Под пружинами установлены резиновые амортизаторы, устраняющие контакт между пружинами и опорными стаканами и тем самым снижающие шум от ударов колес о стыки рельсов. Рама 3 тележки опирается на буксы / через верхние торцы пружин 2 и буксовые направляющие, в которых предусмотрены специальные части со стальными регулировочными прокладками (толщина каждой прокладки 6 мм).
Для гашения колебаний галопирования в первой ступени установлен фрикционный гаситель, который срабатывает при значительных амплитудах, и резиновые втулки для гашения колебаний с малой амплитудой.
На моторных вагонах электропоездов ЭР2Р, ЭР2Т, ЭР29, где применены буксы бесчелюстного типа, чаши для установки цилиндрических пружин размещены на разных уровнях в соответствии с положением тяговых поводков буксы. В остальном буксовое подвешивание выполнено аналогично применяемому на тележках моторных вагонов электропоездов ЭР2 н ЭР9М.
Буксовое подвешивание тележек КВЗ-ЦНИИ прицепных и головных вагонов одинаково для электропоездов всех серий, отличается лишь характеристиками пружин, которые выбираются в зависимости от массы (брутто) вагона. Оно состоит из цилиндрических пружин и резиновых амортизаторов.
У тележек моторных вагонов электропоездов ЭР1, ЭР2, ЭР9М, ЭР9Е и ЭР2Р вторая ступень представляет собой лю-лечное подвешивание. До 1962 г. вагоны электропоездов ЭР1 и ЭР2 выпускали с кузовом 5, опирающимся на пятник 4, между скользунами 6 (см. рис 6.3,а) кузова и тележки предусматривали зазор от 1 до 4 мм с каждой стороны
На электропоездах ЭР2 с № 514 и ЭР9М, ЭР9Е, ЭР2Р, ЭР2Т, ЭР29 применена система люлечного подвешивания без пятникового узла. В ней кузов опирается непосредственно на скользуны над-рессорного бруса, что уменьшает как боковую качку вагона (благодаря отсутствию зазоров между скользунами), так и виляние благодаря образованию демпфирующего момента от дополнительного трения между скользунами кузова и тележки.
Рис. 6.3 - Схемы люлечного подвешивания на моторных вагонах электропоездов ЭР2 до № 514
(а) и электропоездов ЭР2 (с № 514), ЭР9М и ЭР2Р (б): I — букса с гасителями, 2 — цилиндрические пружины; 3 — рама тележки; 4 — пята кузова; 5 — кузов, 6 — боковые опоры, 7 — шкворневой брус; 8 — рессоры; 9 — нижний люлечный брус! 10 — подвески
Люлечная система крепится на четырех подвесках к продольным балкам рамы тележки. Расстояние между центрами отверстий для валиков подвесок в поперечных балках рамы должно быть меньше расстояния между цапфами подрессор-ных брусьев, чтобы угол между образующими подвесок и вертикалями их в точке подвешивания составлял примерно 7°. Кузов вагона колеблется на подвесках как маятник, точка подвески которого совершает сложное движение. С целью упрощения на рис. 6.3,6, поясняющем принцип работы люлечного подвешивания, не показаны рессоры, и кузов вагона опирается непосредственно на подрес-сорную балку люльки.
Предположим, что подвески строго вертикальны. Тогда при отклонении люльки в сторону на величину у подвески повернутся на угол ср, и со стороны каждой из них появится возвращающее усилие О.бРэт ф, которое стремится вернуть кузов в среднее положение. Это усилие является горизонтальной составляющей вертикальной силы Р, передаваемой через подрессорный брус и люлечные подвески на раму тележки. Чем больше отклонение у и угол наклона подвески <р, тем больше возвращающее усилие, т. е. соблюдается зависимость, обусловливающая линейную характеристику.
Поперечные колебания люлечной системы ограничены плоскими упорами, приваренными к поперечным балкам тележки. Чтобы предотвратить возможное при обрыве подвесок падение на путь деталей подвешивания, предусмотрены предохранительные скобы.
Контрольные вопросы:
Рессорное подвешивание, его назначение. Компоновочные схемы рессорного подвешивания ЭПС и его основные элементы.
Какие элементы включают в себя первая и вторая ступени рессорного подвешивания локомотивов?
Конструкция и характеристики винтовых пружин.
Конструкция и характеристики листовых рессор.
Резиновые и резинометаллические упругие элементы.
В чем заключаются положительные свойства резины, как материала?
Из каких элементов состоит пневморессора?
От чего зависит жесткость пневморессоры?
Торсионы. В чем преимущества торсионного рессорного подвешивания?
Гасители вязкого трения. Конструкция и параметры демпфера, процесс диссипации.
Гасители сухого трения. Конструкция и параметры демпфера, процесс диссипации.
Возвращающие и стабилизирующие устройства
12. Схемы рессорного подвешивания ПС и его основные элементы.
13. С какой жесткостью требуется выполнять рессорное подвешивание ПС?
14. Расчёт жёсткости систем рессорного подвешивания с параллельной и последовательной схемой работы упругих элементов.