ЛЮЛЕЧНЫЙ ПОДВЕС КУЗОВА ЭКИПАЖА
CAR BODY BOLSTER HANGER

Изобретение относится к области железнодорожной техники и может использоваться в конструкциях упругого подвешивания кузовов локомотивов и других транспортных средств (экипажей).
В локомотивах, в частности электровозах, используется люлечный подвес кузова, выполненный из отдельных одинаковых узлов упругого подвешивания, размещенных между кузовом и тележками экипажа. Кузов электровозов подвешивается к 2-3 отдельным тележкам. При этом к каждой тележке кузов обычно крепится с помощью четырех узлов упругого подвешивания, расположенных симметрично друг против друга по обе стороны тележки. Полный вес кузова передается тележкам локомотива через все узлы упругого подвешивания, входящие в упругий люлечный подвес в целом ([1], стр.20, рис.6, стр.46-48, рис.21).
Каждый узел упругого подвешивания, входящий в люлечный подвес кузова локомотива, содержит упругий элемент (цилиндрическую пружину) и устройство для удержания кузова локомотива с возможностью его упругих перемещений и угловых поворотов при пространственных колебаниях относительно тележки. Это устройство выполнено в виде наклонного стержня, упруго опертого через пружину на выступ тележки и имеющего шарнирные соединения с тележкой и кузовом локомотива.
Конструкция узла обладает большой материалоемкостью. Упруго подвешенный с помощью пружины конец стержня выступает над верхней поверхностью рамы тележки до 400 мм ([1], стр.47, рис.21). Это существенно усложняет компоновку оборудования в кузове локомотива.
Для обеспечения необходимых показателей виброзащитных свойств люлечного подвеса кузова экипажа ([2], стр.35) при использовании линейных упругих элементов (пружин) необходимы большие статические прогибы этих элементов. Например, для скоростного пассажирского локомотива суммарный статический прогиб буксового и люлечного подвеса должен составлять не менее 200 мм ([2], табл.3.1, стр.68). При этом отношение прогибов этих подвесов составляет 1:2. Наибольшая часть суммарного прогиба соответствует люлечному подвесу кузова экипажа, что составляет около 135 мм при максимальном размахе колебаний не более ±45 мм ([2], стр.67). При этом амплитуды вертикальных колебаний кузова экипажа, превышающие максимально допустимые упругие перемещения кузова, ограничены упорами ([1], стр.47-48).
Отсюда следует, что более 60% статического прогиба (упругого перемещения) люлечного подвеса и, соответственно, статической осадки кузова экипажа под действием силы тяжести в его колебаниях непосредственно не участвует. Однако уменьшить статический прогиб люлечного подвеса, например, вдвое (до 65 мм) за счет увеличения жесткости пружин нельзя, так как увеличится собственная частота вертикальных колебаний кузова экипажа. Это приведет к существенному ухудшению виброзащитных свойств люлечного подвеса в целом ([2], стр.116 (1-й абзац)).
Значительное упрощение конструкции, снижение материалоемкости и исключение выступания узла люлечного подвеса кузова экипажа над верхней поверхностью рамы тележки достигнуто при использовании узла, предложенного в патенте РФ №2272728, МПК B61F 5/06 [3] и выбранного за прототип.
В узле упругого подвешивания, описанном в прототипе, упругий элемент и устройство для удержания кузова экипажа с возможностью упругих перемещений и угловых поворотов при пространственных колебаниях кузова относительно тележки выполнены в виде упругого кольцевого элемента, шарнирно прикрепленного к тележке и неподвижно к кузову экипажа.
При использовании узлов упругого подвешивания, предложенных в прототипе, в люлечном подвесе кузова экипажа для обеспечения необходимых показателей его виброзащиты также необходимы большие статические перемещения упругих кольцевых элементов в узлах подвешивания кузова. Уменьшить статические упругие перемещения люлечного подвеса кузова экипажа, выполненного в соответствии с прототипом, без ухудшения виброзащитных свойств этого подвеса не представляется возможным, несмотря на то, что, как показано выше, более половины статического перемещения кузова экипажа относительно тележки ограничено упорами и не участвует в колебаниях кузова.
Таким образом, возникает техническая задача создания люлечного подвеса кузова экипажа с существенным уменьшением его статической осадки относительно тележки под действием силы тяжести с одновременным обеспечением малой жесткости люлечного подвеса в целом и соответственно, малой собственной частоты в максимально допустимом диапазоне вертикальных колебаний кузова экипажа, ограниченном упорами. Сохранение этих параметров позволяет обеспечить необходимые показатели виброзащитных свойств люлечного подвеса в целом. При этом можно существенно уменьшить материалоемкость, вес и высоту кузова экипажа. Поставленная задача решается при создании люлечного подвеса с квазинулевой жесткостью.
Известно, что в виброзащитных системах с квазинулевой жесткостью ([4], стр.7-8, рис.1.3) используют основной упругий подвес с положительной жесткостью и включенный параллельно основному подвесу дополнительный упругий подвес (корректор жесткости) с неустойчивым положением равновесия. В положении статического равновесия объект виброзащиты удерживается основным упругим подвесом за счет его упругой статической осадки. При этом упругие элементы корректора жесткости находятся в горизонтальном положении и не участвуют в поддержании объекта виброзащиты в положении статического равновесия. При выходе из неустойчивого среднего положения статического равновесия корректор жесткости обладает режимом отрицательной жесткости, т.е. прощелкивает вверх или вниз при малых отклонениях от среднего положения и создает упругие корректирующие усилия, которые алгебраически суммируются с силами упругого сопротивления основного упругого элемента и обеспечивают пониженную положительную жесткость упругому подвесу в целом. Такой корректирующий эффект имеет место в интервале перемещений корректора с отрицательной жесткостью.
Таким образом, в виброзащитной системе с квазинулевой жесткостью можно существенно уменьшить статическую осадку объекта виброзащиты за счет повышения жесткости основного упругого подвеса и обеспечить необходимую низкую собственную частоту колебаний объекта виброзащиты на упругом подвесе в максимально допустимом диапазоне амплитуд его колебаний. Этот диапазон должен лежать внутри интервала перемещений с отрицательной жесткостью корректора жесткости.
В предлагаемом изобретении люлечный подвес кузова экипажа, выполненный из узлов упругого подвешивания кузова к каждой тележке в соответствии с прототипом (основной упругий подвес), снабжен корректором жесткости, установленным между узлами упругого подвешивания кузова экипажа к тележке параллельно этим узлам.
Корректор жесткости выполнен из одинаковых сжатых до овальной формы кольцевых упругих элементов, расположенных симметрично друг против друга на одной высоте по обе стороны тележки экипажа и прикрепленных в диаметрально противоположных местах с помощью шарнирных соединений к кузову экипажа и раме тележки. Для упрощения размещения упругих кольцевых элементов корректора жесткости в поперечных зазорах между кузовом и рамой тележки эти элементы расположены так, что их большие оси симметрии и оси всех их шарнирных соединений параллельны продольной оси симметрии тележки, совпадающей с направлением ее движения.
После статической осадки кузова под действием силы тяжести кольцевые элементы корректора жесткости должны находиться в горизонтальном положении. Для обеспечения этого условия одно из шарнирных соединений каждого кольцевого элемента корректора жесткости снабжено устройством регулировки положения этого соединения по высоте.
Устройство регулировки по высоте выполнено в виде винтовой пары, смонтированной, например, на тележке. Винт закреплен с возможностью вращения в опорах, неподвижно соединенных с рамой тележки. Гайка соединена с винтом с возможностью поступательного перемещения в вертикальной плоскости вверх или вниз. Упругий кольцевой элемент шарнирно соединен с гайкой.
Для увеличения корректирующих усилий каждый упругий кольцевой элемент корректора жесткости может быть выполнен из нескольких кольцевых витков одинакового диаметра, расположенных по высоте друг под другом и соединенных с кузовом и рамой тележки с помощью шарнирных соединений.
Для плавной регулировки жесткости упругие кольцевые элементы корректора жесткости предлагается выполнять в виде бухты, намотанной, например, из пружинной ленты, проволоки или троса.
Люлечный подвес кузова экипажа в целом состоит из одинаковых узлов упругого подвешивания и одинаковых корректоров жесткости, с помощью которых кузов экипажа крепится к нескольким тележкам.
На фиг.1 показана в плане конструкция предлагаемого люлечного подвеса кузова экипажа к одной из тележек, на фиг.2 изображен разрез по А-А. На фиг.3 показано в разрезе устройство регулировки по высоте положения шарнирного соединения одного упругого кольцевого элемента корректора жесткости.
Люлечный подвес кузова экипажа содержит узлы упругого подвешивания и корректор жесткости, с помощью которых кузов 1 присоединен к раме тележки 2. Каждый узел упругого подвешивания содержит упругие кольцевые элементы 3. Кроме того, к кузову 1 и раме тележки 2 через гайки 4 устройства регулировки 5 с помощью шарнирных соединений 6 и 7 прикреплены сжатые до овальной формы упругие кольцевые элементы 8, образующие в совокупности корректор жесткости, размещенный между узлами упругого подвешивания. Большие оси симметрии 9 упругих кольцевых элементов 8 и оси их шарнирных соединений 6 и 7 параллельны продольной оси симметрии тележки, совпадающей с направлением ее движения.
Корректор жесткости содержит не менее двух упругих элементов 8, расположенных друг против друга по обе стороны рамы тележки 2. Каждый упругий элемент 8 состоит из одного или нескольких витков одинакового диаметра, геометрические размеры которых и количество витков выбираются из условий обеспечения необходимых корректирующих усилий. При этом диапазон относительных вертикальных перемещений шарнирных соединений 6 и 7 упругих кольцевых элементов 8 корректора жесткости в интервале перемещений с отрицательной жесткостью должен соответствовать наибольшим возможным перемещениям кузова 1 относительно тележки 2, ограниченным упорами (на чертежах не показаны).
Кузов экипажа 1 к каждой тележке 2 присоединен с помощью четырех узлов упругого подвешивания, содержащих упругие кольцевые элементы 3, и одного корректора жесткости, выполненного из сжатых до овальной формы упругих кольцевых элементов 8, расположенных симметрично по обе стороны тележки 2. Шарнирные соединения 6 и 7 каждого кольцевого элемента 8 корректора жесткости смонтированы в одной горизонтальной плоскости (см. разрез А-А) посредством устройства регулировки 5. Каждое устройство регулировки 5 содержит винтовую пару, состоящую из винта 10 и гайки 4. Винт 10 установлен с возможностью вращения в опорах, неподвижно соединенных с рамой тележки 2. После регулировки положения шарнирного соединения 7 по высоте винт 10 фиксируется с помощью гайки 11. В статическом положении в пазах гайки 4 закреплены с возможностью поворотов кольцевые упругие элементы 8. Аналогичное шарнирное соединение 6 предусмотрено в узле крепления кольцевых упругих элементов 8 с кузовом 1.
Упругие кольцевые элементы 8, как вариант исполнения, для плавной регулировки жесткости при изготовлении выполняют в виде бухты, намотанной из пружинной ленты, проволоки или троса. При этом свободные части кольцевых элементов 8 для исключения выпучивания витков помещают в эластичные, например, резиновые трубки. Это способствует также увеличению диссипативных свойств упругих кольцевых элементов.
Люлечный подвес кузова экипажа работает следующим образом. При движении экипажа по рельсам из-за неровностей рельсового пути рама каждой тележки 2 совершает колебания, которые передаются кузову 1 через упругие элементы 3 узлов упругого подвешивания и упругие кольцевые элементы 8 корректора жесткости.
При вертикальном колебательном смещении рамы тележки 2 вверх из положения статического равновесия упругие кольцевые элементы 3, удерживающие кузов 1, растягиваются. Шарнирные соединения 7 упругих кольцевых элементов 8 корректора жесткости смещаются вверх вместе с рамой тележки. При этом нарушается статическое равновесие этих упругих элементов 8, уменьшается их овальность и возникают вертикальные упругие корректирующие силы, противоположные по направлению силам, создаваемым растянутыми упругими элементами 3. В результате обеспечивается снижение суммарной положительной жесткости узлов упругого подвешивания 3 и корректора жесткости. Такое же влияние оказывает корректор жесткости на суммарную жесткость люлечного подвеса кузова экипажа 1 при вертикальном колебательном смещении рамы тележки 2 вниз.
При горизонтальных колебаниях рамы тележки 2 упругие кольцевые элементы 8 ослабляют передачу колебаний кузову экипажа как обычные виброизоляторы без эффекта коррекции.
Проектировочные оценки предлагаемой конструкции люлечного подвеса кузова показывают, что при сохранении эффективности виброизоляции кузова его статическую осадку можно в среднем уменьшить в два раза за счет введения в подвес корректоров жесткости, как это предлагается в настоящей заявке. При необходимости с помощью предложенных корректоров жесткости можно дополнительно снизить собственную частоту люлечного подвеса в целом, не увеличивая статическую осадку корпуса.
Список использованной литературы
1. Калинин В.К. Электровозы и электропоезда - М.: Транспорт, 1991. - 480 с.
2. Механическая часть тягового подвижного состава / Н.В.Бирюков, А.Н.Савоськин и др. - М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
3. Патент RU №2272728 С2, МПК B61F 5/06, 2006. Остроменский П.И., Елисеев С.В., Хоменко А.П. и др. Узел люлечного подвеса кузова экипажа (протопип).
4. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью / П.М.Алабужев, А.А.Гритчин, Л.И.Ким и др. - Л.: Машиностроение, 1986. - 96 с.