книги из ГПНТБ / Ситковский, И. П. Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах

Гім,', 98' Схематичный чертеж надбуксового под­

типа ІІСпТѵг М°Лл ?°-ЬНЫМИ Резиновыл,м рессорами типа «Краj с-ЛІаффеи», допускающего нагрузку д о

25 т на ось

Рис. 99. Тепловозные рессоры с резиновыми эле­ ментами типа «Крупп»

150

Рис. 100. Тележка маневрового тепловоза с буксовыми рези­ новыми шевронными рессорами типа «Меги»

Рис. 101. Рессоры типа «Клоутх»

151

Рис. 102. Тележка тепловоза:

а — общий вид; б — схема шкворневого устройства с резнно-металлическнми элемен­ тами

Рис. 103. Тележка вагона французского метрополитена с пневматическими колесами

152

и на опытном газотурбинном поезде. Начиная с 1968 г. весь электри­ ческий и дизельный подвижной состав железных дорог Франции оборудуется вторичным подвешиванием с резино-металлическими элементами.

Испытания, проводившиеся в течение нескольких десятилетий, позволили установить некоторые принципы, необходимые для умень­ шения износа рельсов локомотивами. Отмечается, что для этого, осо­ бенно при больших скоростях движения, необходимо как обязательное мероприятие создание системы маятникового подвешивания эки­ пажной части локомотивов. Его масса должна быть сконцентриро­ вана возможно ближе к центру тележки, и должно быть максимально

уменьшено отношение где М — масса тележки; р — радиус инер­

ции; а — база тележки. Соблюдение этих принципов привело к тому, что современные локомотивы Французских железных дорог при скорос­ ти 250 км/ч оказывают меньшее воздействие на путь, чем воздействия, которые оказывались локомотивами более ранних выпусков, например, локомотивами серии 202 при скорости 130 км/ч.

Совершенствуется конструкция одномоторных тележек в направ­ лении замены резино-металлическими блоками поводков маятникового подвешивания. Отмечается, что применение резин в амортизацион­

ким образом тележках для высоких скоростей движения при широком использовании резин не происходит увеличения эксплуатационных расходов и обеспечивается высокая плавность хода.

Резино-металлические блоки состоят из набора резиновых пластин и стальных листовых прокладок. Они выполняют одновременно функ­ ции вертикальной опоры кузова на тележку, поперечную связь тележки с кузовом и возврат кузова при повороте его относительно тележки. Монтаж их на локомотиве прост, кроме того, они не требуют ухода и полностью исключают какие-либо подвижные сочленения. Считается, что резино-металлический блок под воздействием кузова должен иметь статический прогиб не более 10 мм. Функции поперечной связи и огра­ ничения при поворотах, т. е. поперечное возвращающее усилие и воз­ вращающий момент в резино-металлических элементах, осуществля­ ются за счет работы резины на сдвиг. Жесткость резино-металлических блоков таких элементов составляет 13,5 кГІмм при сдвиге и 650 кГІмм при сжатии. Максимальное отклонение блоков от вертикали дости­ гает 10°.

Учитывая положительный опыт эксплуатации электровозов с ма­ ятниковым подвешиванием кузова, французские железные дороги начали применять такое подвешивание на электровозах серии ВВ 16500 [23]. В локомотивах этой конструкции кузов подвешен на четырех ка­ чающихся подвесках. Была изучена возможность создания резиновых блоков с характеристиками, близкими к характеристикам маятнико­ вого подвешивания. Парк электровозов серии ВВ 16500 на желез­ ных дорогах Франции в 1969 г. составлял 504 единицы. Исследования показали, что наиболее приемлемые результаты были достигнуты при

153

применении резины в виде резино-металлических блоков в сочетании с тонкими слоями промежуточных прокладок в сайлентблоках.

Тепловозы первоначально были оборудованы качающимися шквор­ нями. Испытания показали, что применение резино-металлических

резино-металлическими блоками. Их использование было распростра­ нено затем и на другие серии локомотивов.

Резино-металлическими блоками была оборудована ходовая часть вагона с газотурбинной установкой. Установлено, что эти детали удо­ влетворительно работали при скорости до 240 км/ч.

В настоящее время весь дизельный и электрический подвижной со­ став Французских железных дорог, в том числе и электровозы, соз­ данные на базе электровозов серии ВВ 16500, оборудуются вторичным подвешиванием, имеющим резино-металлические блоки. Маятниковая подвеска заменена резино-металлическими блоками также и в электро­ возах серии ВВ20200—20213 и ВВ25556—25567. Перечисленный по­ движной состав эксплуатируется со скоростью от 120 до 240 км/ч.

Одновременно при создании унифицированных электровозов ВВ25500, ВВ8500 и ВВ17000 была увеличена мощность их тяговых электродвигателей с сохранением тех же габаритов. Это оказалось возможным благодаря применению новой изоляции с использованием полимерного материала ML и в особенности с изоляцией тефлон.

Пополнение парка Французских железных дорог производится мощными тепловозами, предназначенными для перевозок тяжелых гру­ зовых поездов и пассажирских экспрессов [24]. В их числе тепловоз серии 72000 весом 100 т, имеющий нагрузку на ось 18 т. Эти теп­ ловозы оборудованы массивными кабинами управления в расчете на повышение безопасности локомотивных бригад при наезде и столкно­ вении локомотивов с подвижным составом. Стены кабин снабжены звукоизоляционным материалом. Во второй ступени системы их подве­ шивания применены боковые опоры из резино-металлических элемен­ тов и используются направляющие сайлентблоки. На тепловозах серин 72000 вес кузова передается на раму тележки с помощью боковых опор, состоящих из резино-металлических элементов. Такая конструкция в отличие от рессорного подвешивания с боковыми скользунами облада­ ет существенными преимуществами, заключающимися в том, что резинометаллические опоры, имея ничтожный износ, практически не изна­ шиваются. Одновременно их применение резко уменьшает усилия и на­ пряжения, возникающие в сопряжениях кузова и тележек при про­ хождении локомотивом кривых малого радиуса. В связи с этим при­ нято решение оборудовать все тележки тепловозов и электровозов Французских железных дорог второй ступенью рессорного подвеши­ вания указанной конструкции с резино-металлическими элементами.

На железных дорогах ФРГ новые моторные вагоны электроподвиж­ ного состава серии ЕТ20 имеют на каждой тележке по две пневмати­ ческих рессоры, вследствие чего высокочастотные вертикальные коле­ бания при движении не передаются на кузов вагона [25]. На серийных электровозах ЕЮ и Е10-12 хорошо зарекомендовали себя осевые при­

154

воды, конструкция которых имеет резиновые элементы, обеспечи­ вающие эластичную передачу крутящего момента от электродви­ гателей к ведущим осям. Эластичная передача осевого привода осу­ ществляется с помощью резиновых пальцев, которыми движущая ось редуктора связана с валом тягового двигателя, что обеспечивает амортизацию крутящего момента.

В1969 г. в ФРГ начал эксплуатироваться первый в мире тепловоз

сэлектронной системой регулирования силы тяги. Отличительной его чертой является также широкое применение износоустойчивых рези­ новых элементов в амортизирующих устройствах [26]. Ими впервые оборудована вся рама тепловоза. На обеих тележках использованы резиновые пальцевые рессоры, одновременно служащие и для направле­ ния осей в раме тележки. Резиновые рессоры осуществляют также направление тележки в раме тепловоза. Вместо обычной поворотной цапфы применяется резиновый конический поворотный круг. Этот теп­ ловоз имеет следующие параметры: ширина колеи 1435 мм, осевая фор­

мула 2-2, вес 80 гп, максимальная скорость 70 км/ч, мощность 1600 л. с. Имеющийся в ФРГ опыт по применению на подвижном составе, ра­ ботающем при скоростях до 200 км/ч, роликовых подшипников исполь­ зуется и при дальнейшем повышении скоростей [27]. Отмечается, что плавность хода локомотива и вагонов значительно улучшается при поперечном подрессоривании колесных пар. Это достигается помеще­ нием упругих элементов между рамой тележки и корпусом осевой буксы или в самой буксе. Электровоз серии 103004 железных дорог ФРГ для этих целей снабжен предварительно напряженными резиновыми эле­ ментами, помещенными в корпусах букс. Аналогичный вариант амор­ тизации боковых усилий с помощью резиновых элементов применен

на тепловозах фирм Крупп и Эссен.

В нескольких тепловозах с металлическими кузовами, мощностью 2000 л. с., построенных в ФРГ для Греции [28], в опорах рамы кузова на тележки помещено 8 резино-металлических рессор. Ими восприни­ маются и амортизируются, обеспечивая плавное движение тепловоза, усилия, создающие в рессорах при вписывании тепловозов в кривые напряжения до 250 кГ/смГ Кроме того, для лучшей звукоизоляции в конструкции стен кузова тепловозов предусмотрена внутренняя звуко­ поглощающая обмазка, а в конструкции стен кабин машиниста нахо­ дится внутренний изолирующий слой из стекловаты, покрытый пер­ форированным листовым пластиком для повышения звуко- и теп­ лоизоляции стен.

После второй мировой войны в ФРГ выпущено сравнительно неболь­ шое количество типов электровозов с максимальной унификацией их оборудования [29]. Конструктивные особенности электровозов типов ПО, 141, 140 и 150, выпущенных в послевоенный период, в основном состоят в том, что рама и кузов составляют единую несущую конструк­ цию. Локомотивы оборудованы поводковыми буксами с роликовыми подшипниками. В системе подвески кузова применены резиновые эле­ менты, при этом опоры кузова на тележки осуществляются на винтовых пружинах с гидравлическими амортизаторами. На этих локомотивах применена опорно-рамная подвеска тяговых электродвигателей с пере-

155

дачей .тягового момента через эластичную муфту, снабженную рези­ новыми амортизирующими элементами.

Оригинальная конструкция тележки с резиновыми элементами в пятниковых опорах применена в конструкции тепловоза DC 1100/1500 [30]. Испытания показали высокие ходовые качества локомотива в диа­ пазоне скоростей до 120 км/ч. Обычно тележка соединяется с главной рамой локомотива шкворнем, который должен направлять движение тележки и передавать на раму тяговые и тормозные усилия. При такой

рых при перемещениях тележки относительно главной рамы возникают нежелательные силы трения. Принцип действия обоих типов опорного подвешивания был использован при разработке подвешивания типа «Елексикол». В этом типе подвешивания отсутствуют силы трения, однако возникают восстанавливающие усилия, которые при прохожде­ нии локомотивом кривых участков пути приводят к повышенным поперечным нагрузкам.

Чтобы избежать указанных недостатков, была спроектирована но­ вая конструкция шкворневого устройства, которая так же, как и осе­ вые рессоры, выполняет роль рессорного подвешивания и передает силу тяги. Устройство представляет собой коническую опору с резиновыми элементами (см. рис. 102). С учетом положительного опыта эксплуата­ ции рессорного подвешивания типа «Клоутх» в данной конструкции применена резина для амортизации опоры главной рамы на раму тележ­ ки и передаваемых сил тяги. Из многочисленных проектов была выбра­ на конструкция, у которой поверхности катания роликов образуют два конуса. В качестве опорных подвижных элементов в ней использо­ ваны конические резиновые ролики. Поверхности катания конических роликов обеспечивают амортизацию передаваемых вертикальных сил веса кузова и горизонтальных сил тяги. Расчет конструкции пятни­ ковой опоры с резиновыми элементами проводился с учетом ряда допу­ щений. Было введено предположение, что обе поверхности катания ро­ ликов имеют одинаковый угол конуса и что они параллельны друг другу; удельные константы деформаций сдвига и сжатия резиновых элементов остаются постоянными и что рессоры имеют линейные характеристики. При этом предполагалось, что нагрузка представляет собой комбинацию чистого сжатия и чистого сдвига.

Электровозы типа Re 4/4, мощностью 4600 кет имеют резиновые элементы в узлах связи шкворневых балок с кузовом. Система надбуксового подвешивания моторных вагонов электропоезда ЕТ202—204, эксплуатирующихся на линии Кельн — Бонн, также оборудована амортизаторами, состоящими из резино-металлических блоков.

На железных дорогах ГДР создан новый скоростной электровоз серии Е 211 [31]. Отличительная особенность его конструкции заклю­ чается в широком использовании пластмасс и резин. Электровоз экс­ плуатируется на переменном токе с напряжением 25 кв и частотой 50 гц. Он весит 82 т и имеет максимальную скорость 160 км/ч при мощности 3360 кет. На этом электровозе используются двигатели с опорно-осе­ вой подвеской, имеющие гибкий привод в виде клиновидных резиновых

156

элементов. Наличие гибкого привода и резиновых прокладок между

Стены кабины и крышевая часть локомотива выполнены в виде трех­ слойной конструкции типа «сэндвич». Наружные оболочки панелей, обшивки стен и крыши изготовлены из листового стеклопластика на. основе полиэфирной смолы, внутренний промежуточный слой— из бу­ мажнослоистого сотопласта толщиной 40—50 мм при толщине оболо­ чек 1,5 мм. Крышевая часть кузова усилена легкой стальной рамой,, облицованной стеклопластиком толщиной Змлі. На крыше установлено' различное электросиловое оборудование.

С 1968 г. в ГДР серийно выпускаются тепловозы серии V I10 с гид­ равлической передачей. Они созданы на базе тепловозов серии Ѵ180. В этих локомотивах система первичного надрессорного подвешиваниявыполнена с использованием резино-металлических рессор [32]. Тепло­ возы имеют следующую техническую характеристику: осевая формула. 2-2, вес локомотива 66,6 т, средняя нагрузка на ось 16,2—17 т, длина по буферам 13,9 м, максимальная скорость 100 км/ч, мощность дизеля 1000 л. с.

Эластичные элементы используются в тяговых передачах электро­ возов и моторных вагонов, выпускаемых в Швеции. В них применяют, резино-металлические эластичные втулки английского производства.. Каждая втулка состоит из двух стальных цилиндрических коаксиаль­ ных колец, между которыми находится слой резины, армированной стальной сеткой. При изготовлении втулок резина запрессовывается непосредственно в процессе ее вулканизации. Всего выпускается 16типов указанных втулок. Раньше на этих электровозах применяли главным образом торсионные тяговые передачи. С появлением эластич­ ных элементов последние стали устанавливать как на вновь выпуска­ емом подвижном составе, так и на эксплуатируемых электровозах. Применение эластичных элементов не только обеспечивает сглаживаниерезких изменений крутящего момента, но и создает в определенных, пределах возможность относительного перемещения тягового двигателя, и ведомой колесной пары. Последнее является необходимым условием, нормальной работы системы опорно-рамной подвески тяговых двига­ телей, при которой тяговый электродвигатель жестко крепится нараме тележки, а корпус тягового редуктора — на оси колесной пары. Ось шестерни связывают с осью электротягового двигателя при помощи, соосных фланцев, в конструкции которых использованы указанные ре­ зино-металлические втулки.

Вследствие эластичной тяговой передачи оказалась возможнойнормальная работа электровоза с опорно-рамной подвеской электротяговых двигателей в достаточно тяжелых условиях Шведских. железных дорог. Последние характеризуются плохим состоянием; пути наряду с тяжелыми подъемами и большими весовыми нормами, суровым климатом с температурой зимой до —40° С и снежным пок­ ровом, достигающим нескольких метров.

15?

Эластичные передачи указанного типа успешно эксплуатируются на электровозах типа Dm3 с часовой мощностью 9780 л. с. и тяговым

Аналогичная тяговая передача применяется на четырехосном элек­ тровозе класса Ra мощностью 3600 л. с. с максимальной скоростью 150 км/ч. Пробег таких электровозов без смены эластичных втулок

выпрямителями. Механическая часть этих электровозов аналогична

.локомотивам класса Ra.

На электровозах типа XI, изготовляемых также в Швеции, приме­ нена эластичная двусторонняя передача с втулками уменьшенного диаметра, эксплуатируемая при скоростях движения до 120 км/ч.

На железных дорогах Швейцарии эксплуатируются электровозы типа Ае 4/4, мощностью 4580 квпг, весом 80 пг, имеющие максимальную эксплуатационную скорость до 125—140 км/ч. В системе подвешивания кузовов этих электровозов применены резиновые цилиндрические опо­ ры, прогиб которых составляет 47 мм.

На Австрийских железных дорогах на линии Вена — Базель экс­ плуатируют пяти- и шестисекционные моторвагонные поезда серии 4010, предназначенные для местных (5-вагонные секции) и дальних (6-вагонные секции) перевозок [33]. В системе подвешивания кузовов вагонов используют резиновые буксовые амортизаторы. Боковые пе­ ремещения кузова относительно тележек гасятся гидравлическими га­ сителями, однако перемещения в диапазоне ± 2 0 —35 мм воспринима­ ются также и резиновыми амортизаторами. Резиновый блок в корпусе шкворня представляет собой полый резиновый цилиндр с привулкани-

.зированным к нему стальным кольцом. Буксовые гасители колебаний выполнены в виде резиновых блоков, работающих на сжатие.

пневмобаллоны с эффективным диаметром 550 мм. Тяговые электродви­

плуатируются тепловозы класса 422 с расчетной скоростью 120 км/ч, весом 108 пг. Они оборудованы опорной осевой подвеской тяговых ■электродвигателей с резиновыми прокладками и имеют поглощающие

.аппараты автосцепки, оборудованные резино-металлическими элемен­ тами. С целью лучшей звуко- и теплоизоляции кабин управления для перегородок кузова использованы трехслойные конструкционные пане- -ли из стеклопластика. Там же с 1968 г. на электроподвижном составе эксплуатируется большая партия моторных тележек, оборудованных пневматическими рессорами. Такиеже рессоры применены на двухэтаж­ ных вагонах. Внутри каждой пневмоподушки имеются резиновые эле­ менты — стопоры, которые в случае аварии пневмосистемы могут воспринимать на себя всю нагрузку. Вертикальное перемещение пнев­ моподушек достигает 31 мм. Поперечные перемещения кузова и тележ­ ки также воспринимаются и гасятся пневморессорами.

>158

На английском железнодорожном подвижном составе находят при­ менение колеса с упругими элементами, изготовляемые в Швеции [36]. Спаренные упругие резиновые элементы размещаются между двумя дисками колеса и его ободом. Диски стягиваются между собой болтами. При передаче на колесо вертикальной нагрузки в резиновых элементах возникают деформации сдвига. Колесные пары с упругими элементами уменьшают вертикальные ускорения по сравнению со стан­ дартной колесной парой примерно на 50%. Считается, что при одина­ ковом предельном уровне вертикальных ускорений скорость движения подвижного состава с упругими колесами может быть увеличена при­ мерно на 90%. Неподрессоренный вес, приходящийся на 1 ось четы­ рехосного локомотива класса 86, при установке упругих колесснижается с 4200 до 1700 кг. Предполагается, что срок службы колес

срезиновыми элементами превысит 500 тыс. км пробега.

ВСША на скоростной магистрали Вашингтон — Нью-Йорк — Бос­ тон в 1968 г. введена в опытную эксплуатацию газотурбинная секция,, состоящая из двух моторных и одного прицепного вагона. Благодаря широкому использованию алюминия и пластмасс вес ее составляет

примерно треть веса дизельной секции эквивалентной вместимости. В 1967 г. на этой же магистрали начали эксплуатироваться 50 моторных вагонов, в системе рессорного подвешивания которых применены ре­ зино-пневматические и пружинные рессоры. Все оси моторных вагонов, ведущие. Они приводятся в движение тяговыми электродвигателями мощностью по 470 кет. Вагоны спроектированы для движения со. скоростью до 258 км/ч. В отделке вагонов использованы различные пластики. Полы покрыты полимерными коврами.

Подвижной состав линии метрополитена в Мексике, подобно ис­ пользующемуся на отдельных линиях метрополитена Парижа и Мон­ реаля, состоит из шестивагонных электропоездов на пневмоколесноія ходу (см. рис. 103) [37]. Два моторных вагона каждой трехвагонной секции электропоезда со всеми движущимися осями расположены по> концам секции, а прицепные — в середине. Тележки вагонов осна­ щены восемью пневмобаллонами, из которых четыре— несущие, а дру­ гие четыре, расположенные горизонтально, являются направляющи­ ми. Кроме бетонного пути для пневматических колес, на линии уло­ жен железнодорожный рельсовый путь стандартной колеи, по которо­ му в случае аварии пневмобаллонов могут катиться предусмотренные.- на каждой оси колеса с ребордами.

8. Тормозные колодки из полимерных материалов

Рост скорости движения грузовых и пассажирских поездов поста­ вил перед железными дорогами ряда стран задачу поиска новых, болеесовершенных материалов для тормозных колодок. Оказалось, что чу­ гунные колодки снижают свою тормозную эффективность и не обеспе­ чивают безопасности движения при скорости грузовых и пассажирских, поездов, близкой соответственно к 100 и 160 км/ч. Это происходит вслед­ ствие резкого падения коэффициента трения чугуна по стали от высокой

159»