КОМБИНИРОВАННОЕ ДВУХРЕЖИМНОЕ РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ГРУЗОВОГО ВАГОНА (ВАРИАНТЫ)
COMBINED TWO-MODE SPRING SUSPENSION OF FREIGHT CAR (VERSIONS)

Изобретение относится к железнодорожному подвижному составу, в частности к рессорному подвешиванию вагонов.
Рессорное подвешивание является важнейшим элементом механической части вагонной тележки, предназначено для смягчения толчков, воспринимаемых вагоном от неровностей пути, выщерблин, ползунов других дефектов колесных пар, от действия центробежной силы на кривых участках пути и давления ветра. В отдельных случаях рессорное подвешивание выполняет роль возвратного устройства.
От качества и конструкции рессорного подвешивания зависит безопасность движения в связи, с чем оно должно соответствовать ряду технических требований:
- Эффективно гасить вертикальные колебания;
- Обеспечивать плавность хода;
- Иметь высокую износостойкость;
- Стабильно работать в разных климатических условиях.
В настоящее время, на сети железных дорог, в грузовом движении в основном эксплуатируются вагоны с тележками конструкции 18-100 ЦНИИ-Х3-О, с центральным рессорным подвешиванием, с клиновыми фрикционными гасителями колебаний.
Клинья 1 размещены под углом по концам надрессорной балки 2 в особых углублениях и своими рабочими поверхностями 3 соприкасаются со сменными износоустойчивыми прокладками 4 и наклонными поверхностями надрессорной балки.
В зависимости от типа вагона и его грузоподъемности рессорное подвешивание имеет 5-7 комплектов пружин (Фиг.1). Каждый комплект пружин имеет большую пружину 5 и малую пружину 6. Они подобранны так, что работают параллельно и обеспечивают постоянную жесткость при любой загрузке вагона. Вертикальная нагрузка от каждого клина передается на один комплект пружин, опирающихся на боковину тележки. А так же гаситель колебаний, состоящий из поперечной балки 2, фрикционного клина 1 и прокладки 4, закрепленной на боковине тележки 7.
Смягчающее действие рессорного подвешивания при передаче кузову толчков, получаемых колесными парами при прохождении ими неровностей пути, объясняется работой упругих элементов - пружин и заключается в следующем. Рассмотрим неровность пути в виде стыковой впадины являющейся следствием понижения концов рельсов в стыках.
При движении вагона колесная пара, проходя стыковую впадину, сначала опускается на всю ее глубину, катясь перед самым местом стыка, а находя на стык, быстро изменяет свое нисходящее движение на восходящее для дальнейшего качения и поднятия на прежнее состояние. Вследствие этого в районе стыка в момент быстрого изменения направления движения колесной парой появляются значительные ускорения, которые действуют на нее подобно сильному толчку (удару).
Если бы между колесной парой и рамой вагона не было упругих элементов, то кузов вагона описывал такую же траекторию движения что и колесная пара и подвергался такому же сильному толчку от стыковой впадины, который испытывает сама колесная пара.
При наличии же пружин кузов вагона получает толчок от стыковой впадины значительно слабее, чем тот, которому подвергается сама колесная пара. Когда колесная пара опускается во впадину стыка, катясь по ее склону, кузов вагона, поддерживаемый пружинами (которые благодаря своей упругости несколько разжимаются при этом), опускается медленнее, чем колесная пара, двигаясь по стыку.
В районе стыка, в которой колесная пара получает толчок, пружины благодаря своей упругости и способности сжиматься не подбрасывают вверх кузов, соответственно подъему колесной пары, а начинают сжиматься, позволяя кузову продолжать свое дальнейшее относительно медленное понижение. По мере последующего поднятия колесной пары при скатывании ее на встречный склон впадины и продолжающегося опускания кузова пружины все более и более сжимаются, суммарная сила упругости пружин возрастает и останавливает опускание кузова в точке наибольшего сжатия.
При дальнейшем качении колесной пары пружины начинают разжиматься и постепенно поднимать кузов.
Таким образом, благодаря упругим свойствам пружин движение кузова происходит не по траектории движения колесной пары, а по более пологой линии, вследствие чего перемена направления движения кузова происходит с меньшим ускорением и кузов вагона воспринимает толчок значительно слабее, чем сама колесная пара.
Для уменьшения амплитуд колебаний обрессоренных масс применяют клиновый гаситель колебаний. Который, работая одновременно с пружинами, создает дополнительное сопротивление колебаниям обрессоренных масс. Принцип работы клинового гасителя колебаний заключается в трении наклонных поверхностей 3 надрессорной балки о клинья и трение клиньев о боковины тележки, в результате чего энергия колебания подвижного состава преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду. Между боковиной и клином обычно установлены износоустойчивые прокладки.
пр_б
пр_м
сумм
пр_б
пр_м
Типовой пружинный комплект состоит из двух пружин одинаковой высоты, внутрь большой пружины жесткостью ж вставляется малая пружина жесткостью ж (Фиг.2). Работа пружин в комплекте проходит параллельно, и суммарная жесткость ж=ж+ж комплекта будет равна сумме жесткостей отдельных пружин. Получается, что жесткость рессорного подвешивания вагона одинакова при любых его загрузках, в результате чего практически полностью исключается работа рессорного подвешивания в случае порожнего состояния вагона.
клин
Рассмотрим работу типового клинового гасителя колеоании с коэффициентом демпфирования β. На диаграмме пунктирной линией показана работа исправного (нового), а сплошной - изношенного гасителя колебаний. По оси абсцисс отложен прогиб рессорного комплекта f, по оси ординат отложена нагрузка, приходящаяся на рессорный комплект Р (Диаграмма. 1).
ст
ст
СТ
тр_исп
Р_исп
тр_исп
Р
Р
max_исп
ст
У неподвижного вагона рессорный комплект от действия веса кузова всегда находится под статической нагрузкой Р (точка A). Прогиб рессорного комплекта, вызываемый такой нагрузкой, называется статическим f. При движении тележки по неровностям пути кузов вагона приходит в колебательное движение относительно колесных пар. При этом в некоторые моменты времени нагрузка на рессорный комплект или увеличивается или уменьшается по сравнению со статической нагрузкой Р на величину, называемую динамической нагрузкой ΔP. Силу динамической нагрузки ΔР=ΔР+ΔР можно условно разложить на две силы. Сила ΔР необходимая для преодоления силы трения покоя в гасителе колебаний равная на диаграмме длине отрезка А-1° и сила ΔР, за счет которой рессорный комплект получает достаточно энергии для начала колебаний. Под воздействием силы ΔР рессорный комплект приходит в движение (отрезок 1°-2°) и сжимается до прогиба f при этом кинетическая энергия движения рессорного комплекта полностью преобразуется в потенциальную энергию сжатых пружин, а часть энергии переходит в тепловую энергию работы клинового гасителя колебаний за счет трения между рабочими поверхностями. В точке 2° энергия удара полностью иссекает, скорость движения рессорного комплекта становится равной нулю, и он прекращает сжиматься, при этом накопленная в пружинах потенциальная энергия начинает обратное действие. Часть потенциальной энергии пружин уходит на преодоление сил трения покоя равной длине отреза 2°-3° на диаграмме, а другая оставшаяся часть приводит рессорный комплект в движение (отрезок 3°-4°). В результате чего в точке 3° фрикционный клин резко срывается с места и пружины начинают разжиматься при этом потенциальная энергия пружин начинает преобразовываться в кинетическую энергию движения массы кузова вагона при этом часть энергии переходит в тепловую в результате работы гасителя колебаний. При разжатии пружин до положения покоя (прогиб равный f) вся потенциальная энергия сжатия пружин полностью переходит в поступательную кинетическую энергию движения массы кузова вагона. При дальнейшем движении массы кузова вверх кинетическая энергия движения начинает преобразовываться в потенциальную энергию массы кузова, поднятой на определенную высоту выше статической точки покоя рессорного комплекта. В точке 4° кинетическая энергия движения рессорного комплекта полностью преобразуется в потенциальную энергию массы кузова, скорость движения кузова вагона становится равной нулю, при этом после остановки накопленная потенциальная энергия массы кузова начинает обратное действие. Часть потенциальной энергии массы кузова уходит на преодоление сил трения покоя равной длине отрезка 4°-5°, а другая оставшаяся часть приводит рессорный комплект в движение (отрезок 5°-2°). Далее система продолжает колебания по аналогии по замкнутому четырехугольнику 5°-2°-3°-4°, с уменьшением амплитуд колебаний рессорного подвешивания из-за постоянного отвода энергии из системы путем преобразования энергии колебательного движения в тепловую энергию трения и дальнейшего ее рассеивания в окружающую среду, до полной остановки системы в точке равновесия A.
Диаграмма 1, фрикционного клинового гасителя колебаний характерна тем, что в начале сжатия повышение нагрузки (отрезок 4°-5°) не вызывает соответствующего прогиба амортизирующего устройства. При разгрузке рессорного комплекта с фрикционным амортизатором (отрезок 2°-3°) первоначально не наблюдается заметной деформации рессорного подвешивания. Это указывает на то, что начало сжатия и разгрузки комплекта пружин с клиновым гасителем колебаний сопровождается толчками. В результате чего нужна достаточная динамическая сила для преодоления силы трения покоя. Если этой силы будет не достаточно, при малых скоростях движения рессорное подвешивание не будет выполнять свою основную задачу, и система будет работать как монолит, в результате чего все удары от неровности рельсового пути будут жестко передаваться на кузов вагона.
В результате наличия большой суммарной жесткости рессорного комплекта и значительных сил трения покоя в клиновом гасителе колебаний при движении вагона в порожнем состоянии сила удара, при прохождении стыков и неровностей пути практически жестко передается на корпус вагона, что приводит к росту вертикальных динамических сил, передаваемых от вагона на элементы пути и от колесных пар на корпус вагона все это уменьшает надежность подвижного состава и увеличивает воздействие на железнодорожный путь.
min_исп
max_исп
В другом случае на пути движения вагона колесные пары постоянно проходят неровности пути, в результате чего энергия толчков и ударов от колесных пар сглаженная рессорным подвешиванием, передается на кузов вагона, в результате чего последний начинает совершать вертикальные колебания, амплитуды которых усиливаются по мере частоты появления неровностей и скорости движения вагона. Поэтому в конструкции рессорного подвешивания необходимо иметь надежный гаситель колебаний, который бы своевременно отводил энергию колебательного движения и уменьшал амплитуду колебания кузова вагона. Количество энергии, которое отводится клиновым амортизатором за один период колебаний, равно площади фигуры 5°-2°-3°-4° при этом гаситель колебаний совершает перемещения от f до f.
По мере работы гасителя колебаний происходит износ его контактных поверхностей, в результате чего происходит изменение углов их наклона, а, следовательно, и уменьшение величины относительного трения. В результате чего при изношенном гасителе колебаний силы трения становятся существенно ниже. При этом для рассеивания такого же количества тепла (как и при исправном гасителе колебаний) происходит увеличение прогибов рессорных комплектов и рабочая характеристика гасителя 5'-2'-3'-4' растягивается (Диаграмма. 1). По мере износа гасителя колебаний прогибы рессорного подвешивания увеличиваются только до тех пор, пока не наступят жесткие удары при полном выборе перемещения фрикционных клиньев, что максимально сжимает пружины, пока не произойдет их поломка.
Основными недостатками типовой конструкции являются:
- высокий износ контактных поверхностей клинового гасителя колебаний, в результате чего происходит изменение углов наклона трущихся поверхностей клина и направляющих боковин, а следовательно, и изменение величины относительного трения, что не редко приводит к почти полному отсутствию сил трения, а следовательно к большим амплитудам колебания ухудшающим динамические показатели движения вагона;
- нестабильность рабочих характеристик в случае груженого и порожнего режима работы;
- так как рессорное подвешивание является одноступенчатым из-за наличия большой суммарной жесткости рессорного комплекта при движении в порожнем состоянии сила удара, при прохождении стыков, от неровности пути практически жестко передается на корпус вагона, что приводит к росту вертикальных динамических сил, передаваемых от вагона на элементы пути и от колесных пар на корпус вагона все это уменьшает надежность подвижного состава и состояние пути.
- наличие наибольших значений сил трения не при среднем положении обрессоренных частей, а при крайних положениях вызывает постоянные рывки и заедания при работе рессорного комплекта, что может привести к его блокированию и резкому ухудшению общих показателей движения вагона [1, 2];
Мпр_б
пр_б
ст
Мпр_м
пр_м
упр_э
упр_э
Для устранения вышеназванных недостатков, предлагается изменить конструкцию штатного пружинного комплекта путем замены его на большую пружину 7 повышенной жесткости Ж высотой Н со стаканом 8 глубиной Н, в который вкладывается малая пружина 9 жесткостью Ж высотой Н и упруго-диссипативный элемент 10 жесткостью Ж с коэффициентом демпфирования β, упирающийся одним концом в поперечную балку тележки, а другим концом в дно стакана (Фиг.3) Высота упруго-диссипативного элемента равна высоте малой пружины.
Мпр_б
пр_б
ст
упр_э
упр_э
упр_э
В другом варианте предлагается изменить конструкцию штатного пружинного комплекта путем замены его на большую пружину 7 повышенной жесткости Ж высотой Н со стаканом 8 глубиной Н, в который вкладывается упруго-диссипативный элемент 10 жесткостью Ж с коэффициентом демпфирования β высотой Н, упирающийся одним концом в поперечную балку тележки, а другим концом в дно стакана (Фиг.4).
пэ
Вкладываемый элемент набран из металлических шайб высотой
и упругих шайб высотой Н различного диаметра (Фиг.6).
Работа предлагаемых пружинных комплектов предполагается в двух режимах в зависимости от нагрузки. Первый режим предполагает работу рессорного комплекта при движении вагона в порожнем состоянии. При данном режиме в первом варианте упруго диссипативный элемент и малая пружина работают последовательно с большой пружиной как показано на кинематической схеме (Фиг.3). При этом суммарная жесткость рессорного комплекта в первом режиме
будет равной
.
Во втором варианте упруго диссипативный элемент работает последовательно с большой пружиной как показано на кинематической схеме (Фиг.4). При этом суммарная жесткость рессорного комплекта в первом режиме
будет равной
Второй режим в обоих вариантах предполагает работу комплекта при движении вагона с номинальной полезной нагрузкой. При данном режиме с увеличением полезной нагрузки малая пружина и упругодиссипативный элемент полностью погружаются в стакан, т.е. выключается из колебательного движения. При этом суммарная жесткость рессорного комплекта
будет равной жесткости большой пружины
.
При этом, как можно увидеть из формул, суммарная жесткость первой ступени предлагаемого пружинного комплекта, будет меньше, чем суммарная жесткость второго режима. В результате чего предлагаемые варианты конструкций позволят обеспечить оптимальную работу рессорного комплекта для двух наиболее часто встречающихся состояниях вагона - порожнем и груженом. Характер работы двух вариантов предполагается одинаковым.
ст_пор
Если вагон находится в порожнем состоянии покоя (точка B), то на рессорное подвешивание прогибается на некоторую величину под статической нагрузкой Р (Диаграмма 2). Жесткость предлагаемого
1
min_1
max_1
1
1
1
1
1
1
1
1
рессорного подвешивания в первом режиме работы меньше (в отличие от типового) то для сжатия упругих элементов и преодоления сил трения в клиновом гасителе колебания достаточно силы ΔP, возникающей при прохождении порожнего вагона неровности пути. В результате чего кузов вагона приходит в колебательное движение с прогибами рессорного подвешивания от f до f по циклу 2-3-4-5 с преодолением сил трения (отрезки 2-3 и 4-5) в клиновом гасителе колебаний. В результате чего рессорное подвешивание воспринимает толчки и удары от неровностей пути более мягко, что обеспечивает плавность хода вагона, и снижает его воздействие на железнодорожный путь.
2
2
2
2
2
2
Во втором режиме предполагается суммарную жесткость пружинного комплекта сделать равной суммарной жесткости типового комплекта, что в свою очередь обеспечит эквивалентную удовлетворительную работу предлагаемого рессорного подвешивания при движении вагона в груженом состоянии, как и в прототипе. В данном случае диаграмма работы 2-3-4-5 предлагаемого рессорного подвешивания будет схожей с работой типового, одним отличительным признаком будет то, что в точках перелома 4 и 5 изменение направления движения при колебании кузова будет проходить мягче в результате закругления углов в этих точках, за счет внедрения упруго-диссипативного элемента.
Внедрение упруго-диссипативного элемента позволит дополнительно гасить энергию колебательного движения при износе штатной системы, благодаря диссипативным свойствам материала из которого сделан упругий элемент.
В результате чего диаграмма б) работы предлагаемого рессорного подвешивания похожа на работу гидравлического гасителя колебаний, обладая оптимальными демпфирующими свойствами (Фиг.4). Дополнительный демпфирующий эффект от упруго-диссипативного элемента для каждой ступени гашения заштрихован. Работа предлагаемого упруго-диссипативного элемента состоит в том, что чем больше прикладываемая сила и частота их приложения, тем более значительны силы сопротивления в самом элементе. В результате чего возможно гашение больших усилий без значительного увеличения амплитуд и времени затрачиваемого на гашение, за счет чего рабочие характеристики предлагаемого рессорного подвешивания являются более мягкими и сглаженными, по сравнению с типовыми. Внедрение упруго-диссипативного элемента позволит обеспечить дополнительное гашение колебательного движения кузова, при этом величина гашения будет пропорциональна частоте колебательного движения и величине силы приложенной нагрузки, что очень важно при движении вагона в режиме резонанса с изношенным клиновым гасителем колебания. В результате чего улучшаются общие динамические характеристики движения вагона, и повышается безопасность движения подвижного состава при движении с изношенным гасителем колебания.
Дополнительный эффект упруго-диссипативного элемента заключается в снижении уровня корпусного шума по сравнению с традиционной тележкой, поскольку колебания высокой и средней частоты, возникающие в зоне контакта колеса и рельса, при движении вагона в порожнем состоянии не смогут передаваться на кузов вагона.
Диссипативный элемент может быть применен в разных вариантах (Фиг.5):
- в виде цилиндра (а);
- цилиндра с разнонаправленной навивкой (б);
- рефренным (в);
- в виде скрученной в пружину (г);
- скрученного упругого листа (д).
Упругий элемент в виде цилиндра наиболее прост в изготовлении, но требует большего затрат материала, вставка с разнонаправленной навивкой будет исключать защемление материала элемента между витками пружин при колебательном движении, а рефренная будет обеспечивать лучшие рабочие характеристики, благодаря специальной форме элемента.
В качестве материала упругого-диссипативного элемента предлагается использовать резину или полиуретан. Не смотря на то, что резина больше распространена и является дешевле, в большинстве случаев, работая в условиях переменных нагрузок и сложных деформаций, она не выдерживает установленного срока службы в связи со свойственными ей физико-механическими свойствами:
- сравнительно низкий предел прочности при разрыве;
- малая износостойкость;
- накопление остаточной деформации;
- низкая тепло- и морозостойкость;
- низкая стойкость к действию масел;
- низкая стойкость к действию топлива и его продуктов (производных).
В связи с тем, что резина обладает рядом недостатков, наиболее выгодным является применение полиуретана, обладающего более высокой прочностью, хорошей износостойкостью, наименьшей способностью к накоплению остаточных деформаций при сохранении лучших качеств.
Полиуретановые эластомеры превосходят резиновые композиции по пределу прочности при растяжении в среднем в 3 раза, по относительному удлинению при разрыве - в 1,7 раза. Имеют в 1,2 раза более широкий температурный интервал работоспособности, допускаемые относительные деформации сжатия полиуретана в 3 раза, а сдвиг - в 1,7 раза превышают относительные показатели у резин [2]. Полиуретаны допускают очень большие (200%…600%) упругие деформации до разрушения. Жесткость полиуретановых эластомеров изменяется в очень широких пределах. Выпускаемые в промышленных масштабах полиуретаны имеют модуль упругости на сжатие Ес=6…600 МПа, и по этому параметру находятся в промежутке между мягкими резинами и пластмассами.
Большие допускаемые деформации в сочетании с повышенной жесткостью обеспечивают полиуретанам рекордные значения удельной энергоемкости на единицу объема и массы. Эти параметры у полиуретанов не уступают соответствующим показателям пружинных сталей. Полиуретановые эластомеры обладают большим внутренним трением, усиливающим эффект амортизации динамических нагрузок и нагрузок колебательного характера. Одним из преимуществ полиуретанов - возможность изготовления устройств с упругими элементами, испытывающими простые и равномерные деформации - например, сжатие и сдвиг.
Таким образом, существует два варианта выполнения рессорного подвешивания вагона, в первом варианте в стакан вкладывается малая пружина и упруго-диссипативный элемент (Фиг.3), во втором варианте в стакан вкладывается только упруго-диссипативный элемент, состоящий из набора полиуретановых и металлических шайб (Фиг.4).
Технический результат предлагаемых вариантов конструкции рессорного подвешивания вагона в эксплуатации, достигается за счет:
- дополнительного гашения энергии колебательного движения при износе штатной системы, благодаря диссипативным свойствам материала из которого сделан упруго-диссипативный элемент, в результате чего повышается плавность хода и безопасность движения подвижного состава;
- обеспечения оптимальной работы рессорного комплекта при движении вагона в порожнем состоянии, в результате чего рессорное подвешивание воспринимает толчки и удары от неровностей пути более мягче, что обеспечивает плавность хода вагона, и снижает его воздействие на железнодорожный путь;
- обеспечения гашения больших усилий без значительного увеличения амплитуд и времени затрачиваемого на гашение;
- улучшения рабочих характеристик предлагаемого рессорного подвешивания, которые становятся более мягкими и сглаженными, по сравнению с типовыми.
1. Шадур Л.А. Расчет вагонов на прочность. [Текст] / Леонид Абрамович Шадур; М., «Машиностроение», 1971, стр.432.
2. Лунин А. А. Улучшение динамических качеств подвижного состава применением полиуретановых элементов. [Текст]: дис. … канд. тех. наук: защищена 06.05.1983 / Лунин Андрей Александрович. - М., 2006. - 175 с.