Фрикционный гаситель колебаний

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и касается устройства фрикционных гасителей колебаний, применяемых для демпфирования колебаний железнодорожного подвижного состава, например, пассажирских вагонов.
Известен фрикционный гаситель колебаний железнодорожного подвижного состава, содержащий нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо через фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционным стаканом (см. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт. 1985, рис. 3.5а, С. 52.).
Недостатком данного 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 происходит резонансное усиление колебаний, что приводит к ухудшению плавности хода экипажа и увеличению вертикального воздействия на путь, и, соответственно, к увеличению расходов на ремонт подвижного состава и пути. Для снижения амплитуды колебаний при резонансе трение в фрикционном гасителе необходимо увеличивать. В то же время вне режима резонанса трение в фрикционном гасителе приводит к ухудшению плавности хода и увеличению воздействия на путь, и поэтому должно быть минимальным. Однако в известном фрикционном гасителе величина силы трения зависит от сжатия нажимной пружины (от загрузки экипажа) и ее невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения. Кроме того, недостатком данной конструкции фрикционного демпфера является малый срок службы, связанный с износом основных пар трения сухарь - фрикционная втулка.
Известно, что коэффициент трения (сцепления) в контакте «металл-металл», помимо физических свойств пары трения, зависит от плотности тока в пятне контакта и может быть повышен до значений 0,6 и более (см. Ткаченко В.П. Кинематическое сопротивление движению рельсовых экипажей: монография. - Луганск: Издательство Восточно-украинского государственного университета, 1996. - 200 с, С. 78-79). Для более детального исследования влияния электрического тока на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках (см. 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). Результаты испытаний показали, что для исследуемых моделей колеса и рельса при прохождении тока в зоне их контакта возможно повышение коэффициента трения (сцепления) более чем в два раза.
В качестве прототипа предполагаемой полезной модели выбран фрикционный гаситель колебаний, содержащий фрикционную шпинтонную втулку, вокруг которой расположены фрикционные конусные секторы между верхним и нижним опорными коническими кольцами, на верхнее кольцо действует внутренняя пружина, а нижнее кольцо через резиновую прокладку опирается на поддон корпуса буксы (см. Лукин В.В., Анисимов П.С., Федосеев Ю.П. Вагоны. Общий курс: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. В.В. Лукина. - М., Маршрут, 2004. - С. 108-109, рис. 3.42а, патент на полезную модель №4950, МПК B61F 4/26 (1995.01), опубл. 16.09.1997 г.).
Недостатком прототипа, применяемого в тележках отечественных пассажирских вагонов КВЗ-ЦНИИ, является то, что величина силы трения зависит от сжатия нажимной пружины и ее невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения. Расположение фрикционного гасителя внутри пружины буксового рессорного подвешивания тележки исключает доступность и обслуживание без разборки вагонов выкаткой тележек из-под кузова, что связано с увеличением трудовых затрат и времени на текущее обслуживание ходовой части и требует увеличения продолжительности срока службы фрикционного гасителя без ремонта. Продолжительность срока службы деталей фрикционного гасителя определяется износом трущихся пар, однако снизить износ за счет снижения удельного давления путем увеличения размеров деталей невозможно из-за ограниченных габаритов внутри пружины буксового подвешивания, а снизить износ за счет уменьшения усилия нажатия невозможно вследствие необходимости обеспечивать силу трения, достаточную для гашения колебаний в резонансных режимах.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в увеличении надежности и долговечности экипажа и пути за счет уменьшения величины действующих на них динамических воздействий и снижения износа трущихся деталей, повышении плавности хода пассажирских вагонов, снижении их воздействия на путь, и, следовательно, повышения безопасности движения.
Технический результат достигается тем, что во фрикционном гасителе колебаний, содержащем фрикционную шпинтонную втулку, вокруг которой между верхним и нижним опорными коническими кольцами расположены фрикционные конусные секторы, на верхнее кольцо действует внутренняя пружина, а нижнее кольцо через резиновую прокладку опирается на поддон корпуса буксы, между верхним кольцом и внутренней пружиной установлено прокладочное кольцо из диэлектрического материала, опорное коническое кольцо и фрикционная шпинтонная втулка соединены с источником тока и 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, поступающего с датчика вертикального ускорения надрессорного строения, двойного интегратора и выпрямителя.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где изображен общий вид фрикционного гасителя колебаний.
Предлагаемый фрикционный гаситель колебаний содержит фрикционную шпинтонную втулку 1, вокруг которой расположены фрикционные конусные секторы 2 между верхним 3 и нижним 4 опорными коническими кольцами, на верхнее 3 опорное коническое кольцо действует внутренняя пружина 5, а нижнее опорное коническое кольцо 4 через резиновую прокладку 6 опирается на поддон корпуса буксы 7. Между верхним 3 опорным коническим кольцом и внутренней пружиной 5 установлено прокладочное кольцо 8 из диэлектрического материала, а опорное коническое кольцо 3 и фрикционная шпинтонная втулка 1 соединены с источником тока 9 и подчиненной системой регулирования, состоящей из регулятора тока (РТ) 10, сигнал на который поступает с выхода сумматора (С) 11, сравнивающего сигнал задания величины предельной амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающего с блока уставки (У) 12 предельной амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения с действительным сигналом амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающего с датчика 13 (ДУ) вертикального ускорения надрессорного строения, двойного интегратора (ДИ) 14 и выпрямителя 15.
Предлагаемый фрикционный гаситель колебаний работает следующим образом.
При вертикальных колебаниях надрессорного строения, вызванных проездом неровностей пути, фрикционная шпинтонная втулка 1 перемещается относительно фрикционных конусных секторов 2 и верхнего 3 и нижнего 4 опорных конических колец, преодолевая сопротивление сил трения, возникающих в контакте фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2. Прокладочное кольцо 8 из диэлектрического материала, установленное между верхним 3 коническим кольцом и внутренней пружиной 5, не допускает короткого замыкания через внутреннюю пружину 5, а резиновая прокладка 6 не допускает короткого замыкания через поддон корпуса буксы 7. Величина тока, проходящего от источника тока 9 через контакт фрикционной шпинтонной втулки, задается подчиненной системой регулирования.
На регулятор тока (РТ) 10 поступает сигнал с выхода сумматора (С) 11. На сумматор (С) 11 подается сигнал от блока уставки (У) 12, который пропорционален заданному предельному уровню амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения вне резонансной зоны, и сигнал с датчика 13 вертикального ускорения (ДУ) надрессорного строения, который после двукратного интегрирования двойным интегратором (ДИ) 14 и выпрямления выпрямителем 15, в свою очередь, пропорционален амплитуде вертикальных перемещений надрессорного строения с частотами, близкими частоте его собственных колебаний на рессорном подвешивании. Пока сигнал от блока уставки (У) 12 больше, чем сигнал с датчика 13 вертикального ускорения (ДУ) надрессорного строения, регулятор тока (РТ) 10 не открывается, и ток от источника тока 9 через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2 не проходит. При превышении сигнала от датчика 13 вертикального ускорения (ДУ) надрессорного строения над сигналом от блока уставки (У) 12 регулятор тока (РТ) 10 открывается и ток от источника тока 9 начинает проходить через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2. В зависимости от величины положительной разности сигнала от датчика вертикального ускорения (ДУ) надрессорного строения 13 и сигнала от блока уставки (У) 12 регулятор тока (РТ) 10 увеличивает или уменьшает значение тока, проходящего от источника тока 9 через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2, тем самым увеличивая или уменьшая значения силы трения в гасителе колебаний. При равенстве сигналов от датчика 13 вертикального ускорения (ДУ) надрессорного строения и от блока уставки (У) 12 регулятор тока (РТ) 10 закрывается и ток через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2 не проходит.
При проезде периодических неровностей пути и при приближение частоты одной из гармоник возмущающей силы к частоте собственных колебаний надрессорного строения вагона увеличивается амплитуда вертикальных колебаний надрессорного строения, что, в свою очередь, приводит к увеличению тока, проходящего через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2, увеличению силы трения в этом контакте, 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 фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2 определяется нажатием внутренней пружины 5 и коэффициентом трения, который будет ниже коэффициента трения в случае пропускания тока через указанный контакт. Таким образом, нажатие внутренней пружины 5 в предлагаемом фрикционном гасителе колебаний может быть уменьшено по сравнению с прототипом, поскольку при развитии резонансных колебаний коэффициент трения увеличивается за счет пропускания тока через контакт фрикционной шпинтонной втулки 1 и фрикционных конусных секторов 2.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в увеличении коэффициента трения между фрикционной шпинтонной втулкой и фрикционными конусными секторами в зависимости от величины тока, пропускаемого через контакт фрикционной шпинтонной втулки и фрикционных конусных секторов, что позволит увеличивать силу трения в фрикционном гасителе колебаний в режиме резонансного усиления колебаний надрессорного строения, уменьшая его в других режимах за счет уменьшения силы нажатия внутренней пружины, что ведет к повышению плавности хода экипажа, снижению его воздействия на путь и, следовательно, повышению безопасности движения, а также снижению износа шпинтонной втулки и фрикционных конусных секторов вследствие уменьшения силы нажатия внутренней пружины, что снижает расходы при эксплуатации вагона.