ФРИКЦИОННЫЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и касается устройства фрикционных гасителей колебаний, применяемых для демпфирования колебаний железнодорожного подвижного состава.
Известен 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 [Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: справочник. - М: Транспорт, - 1985, рис. 3.5а, стр. 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. 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 ее невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения.
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 [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 [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 нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и прокладочное кольцо, через фрикционные клинья взаимодействующие с фрикционным стаканом, при этом прокладочное кольцо выполнено из диэлектрического материала, гаситель имеет источник тока, соединенный с нажимным клином и фрикционным стаканом, а 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, поступающим с датчика вертикальных ускорений надрессорного строения, двойного интегратора и выпрямителя [патент РФ 2529066, МПК B61F 5/06, B61G 11/14, F16F 11/00, опубл. 27.09.2014].
Недостатком прототипа является то, что увеличение коэффициента трения происходит как при резонансном усилении колебаний, вызванном приближением частоты прохождения периодических неровностей пути к частоте собственных колебаний рессорного подвешивания, так и при прохождении отдельных значительных непериодических неровностей пути. При прохождении непериодических неровностей пути накопления энергии колебаний при повторном действии возмущений не происходит, и усилие, создаваемое гасителем, только увеличивает ускорение надрессорного строения. Известно, что в конструкциях экипажных частей с опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей следует уделять большое внимание демпфированию колебаний галопирования тележки, то есть, таких вертикальных колебаний надрессорного строения тележки, при которых концы надрессорного строения колеблются в противофазе [Повышение надежности экипажной части тепловозов / А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др.; под ред. Л.К. Добрынина. - М.: Транспорт, 1984. - с 49]. Галопирование тележки приводит к увеличению вертикальных перемещений оси колесной пары относительно надрессорного строения, которые, в свою очередь, возмущают низкочастотные крутильные колебания в валопроводе тягового привода [Кочергин В.В. Экспериментальное исследование тяговых приводов локомотивов. Вестник ВНИИЖТ, 1977. - № 8. с. 7], что приводит к снижению надежности и увеличению расходов на ремонт узлов привода (компенсирующие муфты, зубчатые колеса, подшипники).
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в увеличении надежности узлов привода за счет уменьшения величины вертикальных перемещений оси колесной пары относительно надрессорного строения.
Техническая задача достигается тем, что в фрикционном гасителе колебаний, содержащем нажимной клин, опирающийся на нажимную пружину и выполненное из диэлектрического материала прокладочное кольцо, через фрикционные клинья взаимодействующие с фрикционным стаканом, источник тока, соединенный с нажимным клином и фрикционным стаканом, подчиненную систему регулирования, состоящую из регулятора тока, подключенного к сумматору, соединенному с блоком уставки предельной амплитуды вертикальных колебаний тележки, датчика вертикальных ускорений тележки, подключенного к двойному интегратору, и выпрямителя, связанного с сумматором, дополнительно содержится второй сумматор, соединенный через выпрямитель с первым сумматором, суммирующий сигнал амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающий с датчика вертикальных ускорений надрессорного строения на одном конце рамы тележки с сигналом инвертора, инвертирующего сигнал амплитуды вертикальных колебаний надрессорного строения, поступающий со второго датчика вертикальных ускорений надрессорного строения на противоположном конце рамы тележки через второй двойной интегратор.
Технический результат заключается в том, что благодаря наличию двух датчиков ускорений, размещенных на противоположных концах рамы тележки, подчиненная система регулирования фрикционного гасителя колебаний увеличивает трение в гасителе преимущественно для демпфирования колебаний галопирования тележки, что, в случае применения фрикционных гасителей колебаний для демпфирования колебаний тележки с опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей приводит к уменьшению динамических нагрузок в тяговых приводах и, вследствие этого, к повышению надежности и снижению расходов на ремонт тяговых приводов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На рисунке изображен общий вид фрикционного гасителя колебаний.
Фрикционный гаситель колебаний содержит нажимной клин 1, опирающийся на нажимную пружину 2 и прокладочное кольцо 3 из диэлектрика через фрикционные клинья 4, взаимодействующие с фрикционным стаканом 5. К нажимному клину 1 и фрикционному стакану 5 подведено напряжение от источника 6 тока. Подчиненная система регулирования содержит регулятор 7 тока, подключенный к источнику 6 тока, стакану 5 и выходу сумматора 8, к одному входу которого подключен блок 9 уставки предельной амплитуды вертикальных колебаний, а другой вход через выпрямитель 10 связан с выходом сумматора 11. Один из входов сумматора 11 подключен к выходу инвертора 12, а другой вход - к двойному интегратору 13, вход которого соединен с выходом датчика 14 вертикального ускорения тележки. К входу инвертора 12 подключен выход двойного интегратора 15, вход которого связан с выходом датчика 16 вертикального ускорения тележки.
Фрикционный гаситель колебаний работает следующим образом.
При вертикальных колебаниях рамы тележки, вызванных проездом неровностей пути, нажимной клин 1 перемещается, преодолевая сопротивление нажимной пружины 2 и силы трения, возникающих в контакте фрикционных клиньев 4 и фрикционных стаканов 5. Прокладочное кольцо 3 из диэлектрика не допускает короткого замыкания через нажимную пружину 2. Величина тока, проходящего через контакт, задается подчиненной системой регулирования.
На регулятор 7 тока поступает сигнал с выхода сумматора 8. На сумматор 8 подается сигнал от блока 9 уставки, который пропорционален заданному предельному уровню амплитуды вертикальных колебаний рамы тележки вне резонансной зоны, и выпрямленный выпрямителем 10 сигнал с выхода сумматора 11, который, в свою очередь равен сумме сигнала с датчика 16 вертикального ускорения рамы тележки на одном конце рамы тележки, который после двукратного интегрирования двойным интегратором 15 и инвертирования инвертором 12 пропорционален мгновенному значению вертикальных перемещений рамы тележки в месте установки датчика 16, взятого с противоположным знаком, и сигнала с датчика 14 на противоположном конце рамы тележки, который, после двукратного интегрирования двойным интегратором 13 пропорционален мгновенному значению вертикальных перемещений рамы тележки в месте установки датчика 16. Таким образом, от выпрямителя 10 поступает сигнал, пропорциональный амплитуде разности перемещений противоположных концов рамы тележки.
Пока сигнал от блока 9 уставки больше, чем сигнал с выпрямителя 10, регулятор 7 тока не открывается, и ток от источника 6 через контакт фрикционных клиньев 4 и стаканов 5 не проходит. При превышении сигнала от выпрямителя 10 над сигналами от блока 9 уставки регулятор 7 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 7 тока увеличивает или уменьшает значение тока, проходящего от источника 6 тока через фрикционный контакт, тем самым увеличивая или уменьшая значения силы трения в гасителе колебаний. При равенстве сигналов регулятор 7 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 вызывает увеличение колебаний галопирования тележки, при этом датчики 14 и 16 вертикального ускорения, находясь на противоположных концах рамы тележки, колеблются в противофазе, и их сигналы после двукратного интегрирования интеграторами 13 и 15 и инвертирования сигнала интегратора 15 становятся синфазными и в сумме равны удвоенному сигналу от каждого датчика. При проезде единичных неровностей пути перемещения противоположных концов рамы тележки в момент проезда неровностей не связаны друг с другом, поэтому сумма сигнала с выхода двойного интегратора 15 и взятого с противоположным знаком сигнала с выхода двойного интегратора 13 оказывается меньше удвоенного максимального сигнала от каждого из интеграторов при проезде неровности, в результате чего ток через контакт фрикционных клиньев 4 и фрикционных стаканов 5 оказывается меньше, чем при развитии колебаний галопирования.