ЦЕНТРАЛЬНОЕ РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам и может использоваться при проектировании и изготовлении тележек грузовых вагонов различной грузоподъемности.
Грузовой вагон должен выдерживать номинальный вес груза и сохранять контакт с рельсовой колеей по мере того, как он движется с различными скоростями по рельсовой колее с различными отступлениями в плане и профиле от геометрически правильной формы. В то же время, вагон и составные части тележек должны иметь такие рабочие характеристики, которые позволяют им безопасно двигаться при тех же изменяющихся условиях рельсовой колеи в ненагруженном состоянии, когда вагон пуст.
Для того чтобы придать вагону необходимые свойства в требуемом рабочем диапазоне скоростей, входящие в тележку упругие и фрикционные узлы, должны обладать определенными статическими и динамическими характеристиками.
В тележках грузовых вагонов широкое применение получило центральное рессорное подвешивание, исполняющее функции упругого элемента, воспринимающего вертикальные и горизонтальные нагрузки (статические и динамические) от кузова вагона и передающего их на раму тележки.
Центральное рессорное подвешивание, как правило, включает в себя фрикционные гасители колебаний и поддерживающие надрессорную балку пружины.
При движении вагона клин фрикционного гасителя колебаний совершает возвратно-поступательные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом вертикальная плоскость клина взаимодействует с фрикционной планкой, а наклонная поверхность клина - с наклонной поверхностью кармана надрессорной балки.
Необходимое сопротивление колебаниям обрессоренных частей вагона создается силами трения, возникающими при относительном перемещении трущихся деталей фрикционного гасителя колебаний и зависящими от коэффициента относительного трения между ними.
Поддерживающая клин пружина опирается на опорную поверхность центрального рессорного проема рамы боковой и работает параллельно с комплектом пружин, поддерживающих надрессорную балку тележки.
Комплект пружин, поддерживающих надрессорную балку, состоит из одно, двух или многорядных пружин. Они упруго воспринимают статические и динамические нагрузки от надрессорной балки и передают их на опорную поверхность центрального рессорного проема боковой рамы тележки.
Одним из основных методов регулирования колебаний вагона и элементов тележки является демпфирование их со стороны фрикционного гасителя колебаний.
Ходовые динамические качества вагона во многом зависят от гибкости комплекта пружин поддерживающих надрессорную балку и эффективной работы фрикционного гасителя колебаний. В идеальном случае гибкость комплекта пружин поддерживающих надрессорную балку должна быть наибольшей изусловия максимально допустимого вертикального перемещения продольных осей автосцепок смежных вагонов, а коэффициент относительного трения во фрикционном гасителе колебаний должен быть таким, что бы возникающие при движении вагона амплитуды колебаний подрессоренной части вагона эффективно «затухали».
Суммарная жесткость пружин поддерживающих надрессорную балку, их расположение и количество зависит от вида вагона и его грузоподъемности. С помощью изменения количества пружин, их расположения и типа, ходовые качества вагона могут быть существенно улучшены.
Технические требования к пружинам, нашедшим применение на вагонах железных дорог СНГ, содержатся в ГОСТ 1452-2003 «Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог.
Технические условия» и ГОСТ 9246-2004 «Тележки двухосные грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия».
На американском континенте, например, принят иной подход к выбору параметров упругих элементов подвешивания. Это стандарт S-335-78 «Пружины Д5 для тележек грузовых вагонов», стандарт AAR Ml 14-90 «Спецификация для винтовых пружин, термообработанная сталь» и стандарт американского общества испытаний и материалов (ASTM), А125-96 (2007), «Пружины стальные винтовые термообработанные. Технические условия».
Известно техническое решение (Патентная заявка США 2004/026152 А1 от 30 декабря 2004 г.) «Механизм трехэлементной тележки Motion Control», предусматривающее систему подвешивания, подобранную из пружин по стандарту S-335-78 и оптимизированную для железнодорожных вагонов так, чтобы при минимальном запасе прогиба (менее чем 1,5) улучшался контроль за движением и качеством хода, увеличивалось сопротивление максимальному прогибу пружин до соприкосновения витков и увеличивалась критическая скорость движения. Идея заключается в том, чтобы достигался максимальный прогиб цилиндрических винтовых пружин, подобранных в соответствии с массой, геометрией кузова вагона и расположением тележек, за счет уменьшения их резервной способности (конструктивного запаса прогиба).
Недостатком такого подхода к проектированию подвешивания тележек является пренебрежение требованиями ГОСТ 9246-2004 об обеспечении конструктивного запаса прогиба пружин рессорного подвешивания (минимальная резервная способность), равного 1,75 для тележек со статическим прогибом свыше 50 мм, с учетом максимальной нагрузки от оси на рельсы и без учета сил трения.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является рессорный комплект тележки типа ЦНИИ-Х3-О (модель 18-100) [1], состоящий из пяти, шести или семи двухрядных пружин, расположенных под каждым концом надрессорной балки. Количество пружин зависит от грузоподъемности вагона.
Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. Клинья гасителя входят в соответствующие гнезда (карманы) в надрессорной
балке, упираясь своими наклонными плоскостями в наклонные плоскости последней, и прижимаются к стальным планкам, укрепленным на вертикальных колонах боковых рам тележки. При прогибах рессорных комплектов создается трение в гасителях колебаний. Боковые перемещения надрессорной балки амортизируются поперечной упругостью пружин рессорного подвешивания и силами трения во фрикционном гасителе колебаний.
При эксплуатации порожних вагонов, например, на тележках модели 18-100 динамические характеристики качества хода нестабильны вследствие малого статического прогиба подвешивания под тарой вагона и большого сопротивления пружин подвешивания горизонтальным перемещениям.
Известна работа [2 стр.92], в которой рекомендована величина силы трения во фрикционном гасителе колебаний для пути удовлетворительного состояния для тележек модели 18-100. А улучшение ходовых качеств порожних вагонов рекомендовано достигать за счет увеличения прогиба центрального рессорного подвешивания тележек в вертикальной плоскости и уменьшения сопротивления пружин перемещениям надрессорной балки в горизонтальной плоскости. Рассматривается возможность достижения положительного эффекта за счет применения наружных и внутренних пружин разной величины в двухрядных пружинах. Этим достигается малая жесткость пружин под порожним вагонов и большая жесткость при груженном. Переход от малой жесткости к большей в рессорном комплекте должен происходить при нагрузке, равной двойному весу тары вагона, т.е. удвоенной величине прогиба большей по высоте пружины под тарой.
К недостатком предложенной конструкции может быть отнесено то, что рекомендованные величины относятся ко всем двухрядным пружинам центрального рессорного подвешивания, хотя общеизвестно [6], что на величину относительного трения во фрикционном гасителе колебаний в значительно большей степени влияет жесткость пружин поддерживающих клин, а на величину прогиба всего рессорного комплекта, соответственно, жесткость пружин, поддерживающих надрессорную балку. При этом, жесткость центрального рессорного подвешивания
зависит от грузоподъемности вагона и может отличаться при перевозках различных грузов.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение ходовых качеств тележек для вагонов различной грузоподъемности за счет увеличения прогибов центрального рессорного подвешивания, прежде всего при движении порожнего вагон, и обеспечения заданного коэффициента относительного трения во фрикционном гасителе колебаний.
Возможны два варианта построения центрального рессорного подвешивания:
а) клин фрикционного гасителя колебаний своей опорной поверхностью на пружины располагается выше опорной поверхности надрессорной балки на величину Б (Фиг.1),
б) клин фрикционного гасителя колебаний своей опорной поверхностью на пружины располагается ниже опорной поверхности надрессорной балки на величину А (Фиг.2).
Заявляемый технический результат в обеих вариантах построения центрального рессорного подвешивания достигается тем, что применяются двухрядные пружины, в которых наружная и внутренняя пружины имеют разную высоту. При этом жесткость двухрядных пружин поддерживающих надрессорную балку меньше под порожним вагоном, чем под груженым. Таким образом, обеспечивается увеличенный вертикальный прогиб и меньшее сопротивление боковому перемещению центрального рессорного подвешивания на порожнем вагоне.
А разница высот пружин поддерживающих клин и величина предварительного сжатия большей по высоте пружины обеспечивают заданный коэффициент относительного трения. Разница высот пружин поддерживающих клин фрикционного гасителя колебаний может не совпадать с разницей высот пружин поддерживающих надрессорную балку
Центральное рессорное подвешивание тележки включает в себя два фрикционных гасителя колебаний, например, по патенту РФ на изобретение №2292281 [3] (Фиг.2) или патенту США US 2004/0261652 А1 [4] (Фиг.1), и пять, семь, девять
и т.д. (в зависимости от грузоподъемности вагона) одно или двухрядных пружин или их комбинации, поддерживающих оба конца надрессорной балки.
Каждый фрикционный гаситель колебаний состоит из клина 7, одно или двухрядной поддерживающей клин пружины 1 или 1 и 2, стальной фрикционной планки 4, закрепленной на вертикальной колонне боковой рамы, и наклонной поверхности кармана надрессорной балки 3, в котором размещается клин.
Разница высот В пружин 1 и 2 по варианту а) центрального рессорного подвешивания, поддерживающих клин 7 фрикционного гасителя колебаний (Фиг.3г), позволяет, за счет ее изменения, достичь необходимого расчетного коэффициента относительного трения [6] во фрикционном гасителе колебаний, как на порожнем, так и на груженом режиме эксплуатации вагона.
Разница высот Г пружин 5 и 6, поддерживающих надрессорную балку (Фиг.3в), позволяет увеличить прогиб рессорного подвешивания порожнего вагона, за счет чего улучшаются его динамические качесива.
Разница высот Д пружин 1 и 2 центрального рессорного подвешивания, поддерживающих клин 7 фрикционного гасителя колебаний и оба конца надрессорной балки (Фиг.4), позволяет увеличить прогиб рессорного подвешивания порожнего вагона и за счет предварительного поджатия большей по высоте пружины поддерживающей клин, обеспечить требуемый коэффициент относительного трения во фрикционном гасителе колебаний.
При использовании двухрядных пружин, состоящих из наружной и внутренней пружин разной высоты, между ними устанавливается дистанционная втулка 3 (Фиг.3 и 4), обеспечивающая соосное положение пружин при работе в центральном рессорном подвешивании. Втулка 3 должна изготавливаться из стали или неметаллических материалов [5], предпочтительно самосмазывающихся, например, из фторопласта, а высота ее определяется высотой двухрядной пружины при полном ее сжатии.
Методики расчета жесткостей пружин, их прогибов под весом порожнего и груженого вагона, расчет коэффициента относительного трения изложены в [6].
Предметом заявляемой полезной модели является центральное рессорное подвешивание тележки для грузовых вагонов, обеспечивающее хорошие динамические качества хода как на порожнем, так и на груженом режиме эксплуатации различных по грузоподъемности вагонов за счет разновысоких пружин, применяемых как для поддержки концов надрессорных балок, так и во фрикционных гасителях колебаний.
Рассчитанные и сконструированные в соответствии с ГОСТ 1452-2003 и [6] пружины, при заявляемой их комбинации в рессорном подвешивании, позволят создать тележку для перспективного подвижного состава различной грузоподъемности, технические условия к которой регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 9246-2000.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - центральное рессорное подвешивание, вариант а) (7 поддерживающих надрессорную балку пружин), вид сбоку.
Фиг.2 - центральное рессорное подвешивание, вариант б) (5 поддерживающих надрессорную балку пружин), вид сбоку.
Фиг.3 - двухрядная поддерживающая надрессорную балку пружина в) и двухрядная подклиновая пружина г) для варианта а) центрального рессорного подвешивания, сечение по оси симметрии.
Фиг.4 - двухрядная пружина для варианта б) центрального рессорного подвешивания, сечение по оси симметрии.
Источники информации.
1. Шадур Л.А., Челноков И.И., Никольский Л.Н и др. Вагоны. Конструкция, теория и расчет. «Транспорт», М., 1965. Стр.148.
2. Требования к конструкции двухосных тележек грузовых вагонов для перспективных условий эксплуатации. Бартенева Л.И., Долматов А.А., Кудрявцев Н.И. и др. Труды ЦНИИ МПС. «Транспорт», 1973, вып.483. Стр.1-96.
3. Патент RU 2292281 С1 от 19.05.2005 «Фрикционный гаситель колебаний тележки железнодорожного вагона». Опубликован 27.01.2007. Бюл. №3.
4. Патент США US 2004/0261652 А1 от 23.06.2004 «Устройство из трех элементов для управления движением тележки». Опубликован 30.12.2004.
5. В.И.Анурьев. Справочник конструктора - машиностроителя. Том 1.М., «Машиностроение», 1980. Стр.237.
6. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ-ВНИИЖТ. Москва, 1996 г. С.346.