ФРИКЦИОННЫЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ
FRICTION DAMPER

Изобретение относится к транспортному машиностроению и касается устройства фрикционных гасителей колебаний, применяемых для демпфирования колебаний железнодорожного подвижного состава.
Уровень техники.
Известен фрикционный гаситель колебаний, размещенный между надрессорной балкой и боковой рамой тележки, состоящий из упругого тела и установленного на него клина, взаимодействующего с рабочими поверхностями надрессорной балки и боковой рамы [1]. Этот гаситель колебаний, используемый на вагонных тележках типа ЦНИИ-ХЗ, обеспечивает демпфирование колебаний надрессорного строения экипажа в вертикальной и горизонтальной (поперечной) плоскостях. Величина силы трения его зависит от сжатия упругого тела (т.е. от загрузки экипажа).
Недостатком известного гасителя колебаний является то, что для ремонта этого гасителя колебаний необходимо разбирать тележку, восстанавливать рабочие поверхности надрессорной балки боковой рамы и клина. Не имеет этот гаситель колебаний и защиты от внешней среды, что приводит к его загрязнению, к нестабильному коэффициенту трения, а следовательно, и демпфирующих характеристик гасителя. При движении порожнего вагона из-за малой нагрузки на клинья рессор подвешивания сила трения клиньев не обеспечивает требуемого демпфирования и, следовательно, безопасности движения вагона при повышенных скоростях. Статистика сходов грузовых вагонов [2] показывает, что этому явлению подвержены в основном порожние вагоны.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран фрикционный гаситель колебаний (фрикционный амортизатор) железнодорожного подвижного состава, содержащий нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо через фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционным стаканом [3].
Этот гаситель колебаний может быть защищен чехлом от внешней среды и для проведения ремонта его легко снять с тележки без ее разборки.
Недостатком известного 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 порожнего вагона происходит резонансное усиление колебаний, что приводит к ухудшению плавности хода экипажа и увеличению вертикального воздействия на путь. Для снижения амплитуды колебаний при резонансе трение в гасителе необходимо увеличивать. В то же время вне режима резонанса трение в гасителе приводит к ухудшению плавности хода и увеличению воздействия на путь, и поэтому должно быть минимальным. Однако в известном гасителе величина силы трения зависит от сжатия нажимной пружины (от загрузки экипажа) и его невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения.
Известно [4], 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. Для более детального исследования влияния электрического тока на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках [5]. 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.
Целью изобретения является повышение плавности хода экипажа, снижение воздействия его на путь, и, следовательно, повышение безопасности движения.
Указанная цель достигается с помощью фрикционного гасителя колебаний, содержащего нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо через фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционным стаканом. Отличительной особенностью предложенного гасителя является то, что прокладочное кольцо выполнено из диэлектрического материала, а сам гаситель имеет источник тока, соединенный с нажимным клином и фрикционным стаканом. При этом величина силы трения между фрикционными клиньями и фрикционным стаканом изменяется 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 вертикальных ускорений надрессорного строения порожнего вагона, двойного интегратора и выпрямителя.
На Фиг.1 представлена схема фрикционного гасителя колебаний. Фрикционный гаситель колебаний (Фиг.1) содержит нажимной клин 1, опирающийся на нажимную пружину 2 и прокладочное кольцо из диэлектрика 3 через фрикционные клинья 4, взаимодействующие с фрикционным стаканом 5. К нажимному клину 1 и фрикционному стакану 5 подведено напряжение от источника тока 6. Подчиненная система регулирования состоит из регулятора тока 7 (РТ), сумматора 8 (Z), блока уставки 9 (У), датчика вертикального ускорения надрессорного строения 10 (ДУ), двойного интегратора 11 (ДИ) и выпрямителя 12.
Фрикционный гаситель колебаний работает следующим образом. При вертикальных колебаниях надрессорного строения порожнего вагона, вызванных проездом неровностей пути, нажимной клин 1 перемещается, преодолевая сопротивление нажимной пружины 2 и силы трения, возникающие в контакте фрикционных клиньев 4 и фрикционных стаканов 5. Прокладочное кольцо из диэлектрика 3 не допускает короткого замыкания через нажимную пружину 2. Величина тока, проходящего через контакт, задается подчиненной системой регулирования.
На регулятор тока 7 (РТ) поступает сигнал с выхода сумматора 8 (Z). На сумматор 8 (I) подается сигнал от блока уставки 9 (У), который пропорционален заданному предельному уровню амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения порожнего вагона вне резонансной зоны, и сигнал с датчика вертикального ускорения надрессорного строения 10 (ДУ), который, после двукратного интегрирования двойным интегратором 11 (ДИ) и выпрямления выпрямителем 12, в свою очередь, пропорционален амплитуде вертикальных перемещений надрессорного строения порожнего вагона с частотами, близкими частоте его собственных колебаний на рессорном подвешивании. Пока сигнал от блока уставки 9 больше, чем сигнал с датчика вертикального ускорения надрессорного строения 10, регулятор тока 7 не открывается, и ток от источника 6 через контакт фрикционных клиньев 4 и стаканов 5 не проходит. При превышении сигнала от датчиков 10 над сигналами от датчика 9 регулятор тока открывается и ток от источника 6 начинает проходить через фрикционный контакт клиньев 4 и стакана 5. В зависимости от величины положительной разности этих сигналов регулятор тока 6 увеличивает или уменьшает значение тока, проходящего от источника тока через фрикционный контакт, тем самым увеличивая или уменьшая значения силы трения в гасителе колебаний. При равенстве сигналов регулятор тока закрывается и ток через фрикционный контакт в гасителе не проходит.
При проезде периодических неровностей пути, приближение частоты одной из гармоник возмущающей силы к частоте собственных колебаний надрессорного строения порожнего вагона увеличивается амплитуда вертикальных колебаний надрессорного строения, что, в свою очередь, приводит к увеличению тока, проходящего через контакт фрикционных клиньев и фрикционного стакана, 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 фрикционных клиньев и фрикционного стакана определяется нажатием пружины и коэффициентом трения, который будет ниже коэффициента трения в случае пропускания тока через указанный контакт.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении коэффициента трения между фрикционными клиньями и фрикционным стаканом в зависимости от величины тока, пропускаемого через контакт фрикционных клиньев и фрикционного стакана, что позволяет увеличивать силу трения в гасителе в режиме резонансного усиления колебаний надрессорного строения, и ведет к повышению плавности хода экипажа, снижению его воздействия на путь и, следовательно, повышению безопасности движения.
Перечень фигур
Фиг 1. Общий вид фрикционного гасителя колебаний.
Источники информации
1. Вагоны. Под ред. Л.А.Шадура, М.: Транспорт, 1980 г., рис.УП.27, стр.167 и рис. VIII. 8, стр.182.
2. Безопасность движения железнодорожного подвижного состава. М.: Интекс, 2010. Тр. ВНИИЖТ. - 175 с.
3. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт.1985, рис.3.5а, стр.52.
4. Ткаченко В.П. Кинематическое сопротивление движению рельсовых экипажей/ Монография. - Луганск: Издательство Восточно-украинского государственного университета, 1996. - 200 с., С.78-79.
5. 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.