ФРИКЦИОННЫЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ
FRICTION SHOCK ABSORBER

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к устройствам фрикционных гасителей колебаний, применяемых для демпфирования колебаний железнодорожного подвижного состава.
Известен фрикционный гаситель колебаний, размещенный между надрессорной балкой и боковой рамой тележки, состоящий из упругого тела и установленного на него клина, взаимодействующего с рабочими поверхностями надрессорной балки и боковой рамы [1].
Этот гаситель колебаний, используемый на вагонных тележках типа ЦНИИ-ХЗ, обеспечивает демпфирование колебаний надрессорного строения экипажа в вертикальной и горизонтальной (поперечной) плоскостях. Величина силы трения его зависит от сжатия упругого тела (т.е. от загрузки экипажа).
Недостатком известного гасителя колебаний является то, что для ремонта этого гасителя колебаний необходимо разбирать тележку, восстанавливать рабочие поверхности надрессорной балки боковой рамы и клина. Не имеет этот гаситель колебаний и защиты от внешней среды, что приводит к его загрязнению, к нестабильному коэффициенту трения, а следовательно, и демпфирующих характеристик гасителя. При движении порожнего вагона из-за малой нагрузки на клинья рессор подвешивания сила трения клиньев не обеспечивает требуемого демпфирования и, следовательно, безопасности движения вагона при повышенных скоростях. Статистика сходов грузовых вагонов [2] показывает, что этому явлению подвержены в основном порожние вагоны.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран фрикционный гаситель колебаний (фрикционный амортизатор) железнодорожного подвижного состава, содержащий нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо через фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционным стаканом [3].
Этот гаситель колебаний может быть защищен чехлом от внешней среды, и для проведения ремонта его легко снять с тележки без ее разборки.
Недостатком известного фрикционного гасителя колебаний является то, что у него сила трения не зависит от соотношения частот гармонических составляющих возмущающей силы при прохождении периодических неровностей пути и частоты собственных колебаний надрессорного строения. При приближении частоты одной из гармонических составляющих возмущающей силы к частоте собственных колебаний надрессорного строения порожнего вагона происходит резонансное усиление колебаний, что приводит к ухудшению плавности хода экипажа и увеличению вертикального воздействия на путь. Для снижения амплитуды колебаний при резонансе трение в гасителе необходимо увеличивать. В то же время вне режима резонанса трение в гасителе приводит к ухудшению плавности хода и увеличению воздействия на путь и поэтому должно быть минимальным. Однако в известном гасителе величина силы трения зависит от сжатия нажимной пружины (от загрузки экипажа), и его невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения.
Известно [4], что коэффициент трения (сцепления) в контакте «металл-металл», помимо физических свойств пары трения, зависит от напряженности магнитного поля в пятне контакта и может быть повышен. Для более детального исследования влияния магнитного поля на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках [5]. Результаты испытаний показали, что для исследуемых моделей контакта «сталь по стали» при прохождении тока в зоне их контакта возможно повышение коэффициента трения (сцепления) более чем на 20%. В настоящее время данное явление объясняется прежде всего эффектом магнитопластичности, одной из главных причин которого считают увеличение подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля под влиянием электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки [6].
Целью изобретения является повышение плавности хода экипажа, снижения его воздействия на путь и повышение безопасности движения.
Указанная цель достигается во фрикционном гасителе колебаний, содержащем нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо через фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционным стаканом. Отличительной особенностью его является то, что гаситель имеет обмотку электромагнита, размещенную на нажимном стакане, и соединенный с ней источник тока, при этом коэффициент трения между фрикционными клиньями и фрикционным стаканом изменяется подчиненной системой регулирования, состоящей из регулятора тока, сигнал на который поступает с выхода сумматора, сравнивающего сигнал задания величины предельной амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающего с блока уставки предельной амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, с действительным сигналом амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающим с датчика вертикальных ускорений надрессорного строения, двойного интегратора и выпрямителя.
Фрикционный гаситель колебаний (см. чертеж) содержит нажимной клин 1, опирающийся на нажимную пружину 2 и прокладочное кольцо 3 через фрикционные клинья 4, взаимодействующие с фрикционным стаканом 5. На фрикционном стакане 5 расположена обмотка электромагнита 6, к которой подведено напряжение от источника тока 7. Подчиненная система регулирования состоит из регулятора тока 8 (РТ), сумматора 9 (Σ), блока уставки 10 (У), датчика вертикального ускорения надрессорного строения 11 (ДУ), двойного интегратора 12 (ДИ) и выпрямителя 13.
Фрикционный гаситель колебаний работает следующим образом.
При вертикальных колебаниях надрессорного строения порожнего вагона, вызванных проездом неровностей пути, нажимной клин 1 перемещается, преодолевая сопротивление нажимной пружины 2, взаимодействующей с клином через прокладочное кольцо 3 и силы трения, возникающие в контакте фрикционных клиньев 4 и фрикционного стакана 5. На фрикционном стакане 3 размещена обмотка электромагнита 6, при этом величина тока, проходящего через нее, задается подчиненной системой регулирования.
На регулятор тока 8 (РТ) поступает сигнал с выхода сумматора 9 (Σ). На сумматор 9 (Σ) подается сигнал от блока уставки 10 (У), который пропорционален заданному предельному уровню амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения порожнего вагона вне резонансной зоны, и сигнал с датчика вертикального ускорения надрессорного строения 11 (ДУ), который после двукратного интегрирования двойным интегратором 12 (ДИ) и выпрямления выпрямителем 13, в свою очередь, пропорционален амплитуде вертикальных перемещений надрессорного строения порожнего вагона с частотами, близкими частоте его собственных колебаний на рессорном подвешивании. Пока сигнал от блока уставки 10 больше, чем сигнал с датчика вертикального ускорения надрессорного строения 11, регулятор тока 8 не открывается и ток от источника 7 через обмотку электромагнита 6 не проходит. При превышении сигнала от датчиков 11 над сигналами от датчика 10 регулятор тока открывается и ток от источника 7 начинает проходить через обмотку электромагнита 6, при этом основная часть магнитного потока проходит через фрикционные клинья 4 и фрикционный стакан 5. Этот магнитный поток вызывает увеличение коэффициента трения в их контакте, что ведет к увеличению силы сопротивления гасителя перемещениям. В зависимости от величины положительной разности этих сигналов регулятор тока 8 увеличивает или уменьшает значение тока, проходящего от источника тока через обмотку электромагнита 6, тем самым увеличивая или уменьшая значения силы трения в гасителе колебаний. При равенстве сигналов регулятор тока закрывается и ток через обмотку электромагнита не проходит.
При проезде периодических неровностей пути, приближении частоты одной из гармоник возмущающей силы к частоте собственных колебаний надрессорного строения порожнего вагона увеличивается амплитуда вертикальных колебаний надрессорного строения, что, в свою очередь, приводит к увеличению тока, проходящего через обмотку электромагнита, увеличению коэффициента трения в контакте фрикционных клиньев и фрикционного стакана, ограничению амплитуды колебаний надрессорного строения за счет большего рассеяния энергии колебаний и, соответственно, повышению плавности хода экипажа и снижению его воздействия на путь. Вне резонансных зон сила трения в контакте фрикционных клиньев и фрикционного стакана определяется нажатием пружины и коэффициентом трения, который будет ниже коэффициента трения в случае пропускания тока через обмотку электромагнита.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении коэффициента трения между фрикционными клиньями и фрикционным стаканом в зависимости от величины тока, пропускаемого через обмотку электромагнита, что позволяет увеличивать рассеяние энергии в гасителе в режиме резонансного усиления колебаний надрессорного строения и ведет к повышению плавности хода экипажа, снижению его воздействия на путь и, следовательно, повышению безопасности движения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вагоны. Под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1980 г., рис. VII.27, стр. 167 и рис.VIII.8, с. 182.
2. Безопасность движения железнодорожного подвижного состава. М.: Интекс, 2010. Тр. ВНИИЖТ. - 175 с.
3. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт. 1985, рис. 3.5а, С. 52.
4. Лужнов Ю.М., Прунцев А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467.
5. В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. Моделирование сцепления колеса с рельсом. Орел: ОрелГТУ, 2007. С. 95-101.
6. Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ). - 2007. - №3. - С. 8-11.