СПОСОБ ПОДБОРА ПРУЖИН РЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА ТЕЛЕЖЕК ВАГОНОВ
METHOD TO SELECT CARRIAGE BOGIE SPRING SETS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для контрольно-сортировочной проверки параметров пружин сжатия и подбора пружин рессорного комплекта с заданным полем допуска по требуемым характеристикам.
Пружины, в частности цилиндрические, по виду приложения нагрузки подразделяются на пружины растяжения, кручения или сжатия. По виду зависимости сжатия от приложенной силы можно выделить линейные и нелинейные. Технология их изготовления предполагает стабильность рабочих характеристик в течение всего времени эксплуатации. Большое влияние на это в целом оказывает качество внутреннего слоя (сердцевины) материала пружины. Поэтому для достижения высоких прочностных и других важных свойств он должен быть правильно выбран и правильно термически обработан. Наряду с упрочнением поверхностного слоя и окончательной операцией принудительного заневоливания это позволяет получить соответствующие требованиям пружины. (Заневоливание, как окончательная операция технологического процесса изготовления пружин, заключается в выдерживании в течение определенного времени (6 - 48 ч) пружин в деформированном за пределами упругости состоянии для придания им остаточных напряжений противоположного по отношению к рабочим напряжениям знака. Чернавский С.А. Краткий справочник машиностроителя, 1966 г., стр.696). После изготовления выполняется проведение метрологических проверок всех изделий на соответствие заданным параметрам. После этого пружины используются в соответствующих механизмах и, в частности, тележках железнодорожных вагонов. В тележке вагона используют симметричную установку пружин под надрессорную балку и на боковую раму для увеличения плавности хода. Так как по условиям работы надрессорной балки тележки пружины устанавливают двумя комплектами, то для их синхронной работы возникает необходимость введения жестких допусков для характеристик пружин, устанавливаемых на тележки.
Технические требования к процессу изготовления, приемки и методам контроля цилиндрических пружин сжатия тележек подвижного состава железных дорог описан, например, в межгосударственном стандарте (ГОСТ 1452-2003, Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог, М., из-во стандартов, 2004 г.). Документ устанавливает требования на соответствие по предельным отклонениям геометрических параметров пружин в свободном состоянии.
ГОСТ предусматривает периодические испытания на базе определенного числа циклов нагружения для разного вида вагонов. При этом строится кривая усталости: зависимость между числом циклов и стадией повреждения (в т.ч. возникновением трещины или окончательным повреждением). Кроме того, ГОСТ предусматривает проведение испытаний пружин на остаточную деформацию (двукратное сжатие пробной нагрузкой, затем измерение высоты (длины) в свободном состоянии, затем снова такой же цикл). Допуск на разницу высот установлен в 2 мм.
Допускается группировка пружин исходя из отклонений высоты пружин при статической нагрузке. То есть пружины не подбираются по зависимости величины сжатия от приложенной нагрузки, а используется некоторая заданная статическая величина. Это значение для буксовых пружин определяется разностью нагрузки от колесной пары на рельсы и нагрузки от подрессоренных масс при полностью загруженном вагоне. Предельные отклонения прогиба пружин при такой загрузке могут достигать 12%. При этом не учитывается влияние клинового механизма трения. Таким образом, даже этот нормативный документ не предполагает проведения подбора пружин в рессорном комплекте тележек по зависимости величины прогиба от нагрузки. Важность этого подхода возрастает в связи с возрастанием требований к величине загрузки вагона. С ее повышением возрастает нагрузка на пружины и оставить их параметры прежними не представляется возможным. Поэтому в настоящее время предлагаются, по крайней мере, два пути решения: увеличение длины пружин или их числа. Кроме того, такая необходимость дополнительных шагов в процессе выбора пружин для рессорного комплекта связана прежде всего с выявленными на практике отклонениями в ходе зависимости величины сжатия от усилия нагрузки. Эти отклонения могут проявляться как на начальном участке линейной зависимости (а именно такую зависимость для пружин предпочитают использовать), так и на конечном, то есть при высоких нагрузках. В последнем случае при полном сжатии одной из пружин будет реализовываться случай не упругой, а жесткой передачи дополнительных нагрузок на боковую раму. В частности, увеличение нагрузки на раму и колесо при прохождении стыка в рельсах, например, с ударом F=m·a, где а - ускорение при прохождении стыка, а масса будет зависеть от состояния пружинного комплекта. В первом случае, когда пружины не садятся виток на виток, под ml будет считаться масса колесной пары и боковой рамы. Во втором случае, когда пружины сели виток на виток, масса увеличится на величину части веса вагона с грузом, то есть m2 - масса колесной пары, боковой рамы и части веса вагона, приходящейся на тележку. При загруженном вагоне разница может отличаться на порядки (10 и более раз). Поэтому рама может не выдержать и произойдет излом боковой рамы.
В противоположном случае, когда одна из пружин отличается по силовой характеристике от других, именно на нее может прийтись основная часть нагрузки. Превышение предельных значений может привести к ее излому. Это наблюдается на практике чаще всего для груженых вагонов при ударных нагрузках. То есть нарушается безопасность движения. Чтобы избежать аварийных ситуаций из-за неудовлетворительных характеристик пружин, необходимо подобрать пары комплектов пружин (правого и левого) по заданному количеству параметров.
В то же время на практике в области этих параметров необходимо выбирать идентичные пружины. При этом, например, принимается, что силовая характеристика комплекта есть сумма силовых характеристик отдельных пружин в комплекте. Аналогично для других характеристик. Характеристика может сниматься со всего комплекта и в процессе испытаний одна из пружин должна заменяться на другую. Однако такой подход сложен и будет отличаться достаточно высокой трудоемкостью. Для их подбора по параметрам требуется выполнить некоторый порядок действий. Например, для подбора пары с заданным допуском угла между концами пружин кручения, используя шаблон, сравнивают каждую последующую с установленной на шаблон первой (пат. RU №2031350, G01B 5/00, от 1992.03.12). Таким образом подбираются пары пружин. Очевидно, что можно подобрать несколько близких по заданной характеристике пар (это аналог, о комплекте здесь не говорится). Недостаток предложенного здесь способа состоит в ограниченности параметров пружин, используемых при испытаниях для подбора пар. Пружины могут отличаться по виду такой важной характеристики как зависимость величины сжатия пружин от приложенной нагрузки, так как при равных геометрических параметрах они часто могут отличаться структурой металла.
Другой подход реализован при выборе соотношений длин пружин в тележке железнодорожного вагона (пат. RU №2099220, B61F 5/00, от 09.08.1995). Для улучшения вертикальной и горизонтальной динамики вагона выбирается так называемая билинейная характеристика центрального рессорного подвешивания вместо линейной. При этом предпочтительная направленность решения - порожний режим загрузки вагона. Оно не касается проблем решения рессорного подвешивания для увеличенной нагрузки на ось. Включение второй пружины после первой изменит лишь наклон зависимости величины сжатия от нагрузки при определенной величине приложенной нагрузки.
Способ, реализуемый установкой для сортировки цилиндрических пружин сжатия, предполагает измерение величины сжатия пружины при заданной нагрузке и сортировку на группы измеренных пружин (пат. RU №1732767, G01L 1/04, от 15.01.1990). Здесь недостаток аналогичен: используют только одну точку на зависимости величины сжатия от нагрузки. А пружины могут отличаться по характеру этой зависимости, даже относящиеся к одной партии. В результате парный комплект будет работать несимметрично под нагрузкой.
Поэтому предлагается осуществлять подбор пружин рессорного комплекта вагонов путем дополнительного использования следующих испытательных шагов:
а) снятие зависимости величины сжатия пружин от приложенной нагрузки (силовой характеристики) в интервале от минимальной до величины усилия, необходимого для ее полной деформации.
пол.
деф
Силы пружины при полной деформации (по ГОСТ) или усилия, необходимого для полной деформации пружины - F. . Для комплекта: сила комплекта при его полной деформации. Это некоторая усредненная величина, определяемая из величины прогиба комплекта при полной загрузке вагона (нагрузке на ось) плюс запас и сохранение возможности свободного хода автосцепки при полностью загруженном вагоне,
комп
max комп
комп
max комп
H
б) по результатам выполнения вышеназванных операций подбирают комплект пружин так, чтобы суммарная силовая характеристика комплекта находилась в заданных границах (поле) допуска ΔF от установленной номинальной силовой характеристики комплекта, δL = L- L/L=f(1-F/F),
в) далее комплекты пружин собирают в пары так, чтобы их силовые характеристики не выходили за установленные границы (например, более 5%),
г) дополнительно перед подбором комплекта при максимальной номинальной величине нагрузки проверяют величину отклонения от состояния полного сжатия.
H
мax
мax
H
1
мax
мax
H
При этом предлагается ставить в пары комплекта только те, которые обеспечивают отклонение суммарной жесткости комплекта не более чем на заданную величину ΔF в положительную сторону. Зависимость номинальной величины сжатия пружины определяется при этом следующим образом: δL=L- L/L=f(F), а поле допуска ограничено аналогичной прямой δL=L- L/L=f(F+ΔF), где ΔF - величина допуска.
Допуск в положительную сторону важен для учета эффектов старения и вследствие этого изменения характеристик комплекта.
При этом предлагается, что сам характер зависимости пружинного комплекта может быть произвольным. Важно выдержать граничные условия в рамках установленной номинальной силовой характеристики комплекта, то есть той зависимости, к которой должна стремиться суммарная силовая характеристика.
То есть предлагаемое техническое решение направлено на уменьшение (разброса) суммарной силовой характеристики комплектов пружин, устанавливаемых на подрессоренную тележку, и, следовательно, для исключения происшествий, связанных с неработоспособностью рессорного подвешивания тележек вагонов.
Технический результат достигается тем, что в способе подбора пружин, включающем отбор пружин по результатам проведенных испытаний, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно производится снятие зависимости сжатия пружины от величины нагрузки, по результатам которой подбираются комплекты (правый и левый) с близкими суммарными силовыми характеристиками, при этом для комплекта допуск по силе сжатия принимается положительный.
По величине сжатия комплекта пружин допуск определяется существующими нормативами. Обычно для груженого вагона она достигает нескольких десятков миллиметров.
Способ осуществляют следующим образом.
Перед постановкой пружин на тележку выполняют сортировку наружных и внутренних пружин по размерам для двухрядного рессорного комплекта по ГОСТ. Затем каждую партию пружин подвергают дополнительной осадке не менее 2-3 раз заданной величиной прикладываемого усилия. Этим пружины приводятся в нормальное состояние по остаточной деформации. Следующим этапом проводится измерение геометрических параметров пружин. Пружины, даже превышающие заданные величины размера в свободном состоянии, могут не отбраковываться. Затем для каждой пружины (для комплекта пружин - возможно в принципе) снимается зависимость сжатия пружины от приложенной нагрузки с помощью соответствующего устройства. Эта зависимость обычно является линейной, но в силу имевших место технологических отклонений в изготовлении и разрешенных допусков могут наблюдаться отклонения от линейности.
Пример линейной зависимости L(F) в относительных единицах с полем допуска приведен на чертеже (кривые 1 и 2). Здесь кривая 1 показана для зависимости с некоторой начальной точкой  и кривая 2 учитывает заложенный допуск и имеет начальную точку  Использование только положительных значений обусловливается возможным ухудшением характеристик пружин при эксплуатации. Там же приведена нелинейная зависимость (кривая 3). Эти три наиболее характерные зависимости величины относительного сжатия пружин (комплекта пружин) от величины усилия (в относительных единицах) поясняют предлагаемый способ. Наиболее простые варианты подбора комплектов можно описать таким образом. После снятия указанной зависимости на достаточно большом количестве пружин проводится суммирование силовых характеристик. Те пружины (комплекты пружин), для которых полученная линейная зависимость не укладывается в заданное поле допуска ΔF всего комплекта, отбраковывают. А наиболее близкие по такой зависимости (близкий коэффициент нелинейности или коэффициент в заданных пределах) устанавливают в пары комплекта (двух комплектов). При этом комплекты пружин собирают в пары так, чтобы их силовые характеристики не выходили за установленные границы (например, более 5%). Эта величина определяется больше всего инструментальными возможностями. Можно, например, при подборе комплекта измерять по очереди пружины и суммировать их характеристики. Когда остается подобрать последние одну - две пары пружин, то при проверке этих пар определяют суммарную силовую характеристику комплекта. Если эта характеристика не укладывается в заданную, то эти пары берут из ранее измеренных. При этом учитывают то обстоятельство, что если суммарная жесткость пружин комплекта превышает некоторое заданное значение, то также заменяют пару пружин в комплекте на другую пару. Вариантов такого подбора обычно бывает несколько и при существующей аппаратной базе это закладывается в соответствующую программу испытательного устройства.
Для пружин, которые имеют идентичные нелинейные характеристики, в принципе возможно осуществление аналогичных действий для подбора в соответствующие комплекты.
Результаты компьютерного подбора были выполнены на автоматической линии для измерения и сортировки пружин рессорного подвешивания для тележек грузовых вагонов для большой партии пружин и показали возможность реализации предлагаемого способа.