Дисковый фрикционный гаситель колебаний

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно к устройствам фрикционных гасителей колебаний, применяемых для демпфирования колебаний железнодорожного подвижного состава.
Известен дисковый фрикционный гаситель колебаний, состоящий из подвижного диска, неподвижного диска, фрикционной крышки, нажимной пружины, прижимающей их друг к другу и поводка с резиновыми втулками (см. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт.1985, рис. 3.2а, С. 43). Этот гаситель колебаний, используемый в буксовом подвешивании тележек электропоездов ЭР1, ЭР2, ЭР9, ЭР9П, ЭР22, ЭР22М, обеспечивает демпфирование колебаний надрессорного строения экипажа в вертикальной плоскости. Величина силы трения его постоянна и зависит от силы нажатия пружины, геометрических размеров подвижного и неподвижного дисков и фрикционной крышки и коэффициента трения между ними.
Недостатком известного гасителя колебаний являются значительные габариты в осевом направлении, т.к. нажимная пружина размещена снаружи дисков.
Известен, фрикционный гаситель колебаний (фрикционный амортизатор), используемый в центральном подвешивании тележек рефрижераторных вагонов производства Брянского машиностроительного завода. Фрикционный гаситель колебаний, размещенный на раме тележки, содержит неподвижные диски, связанные шпилькой с рамой тележки, подвижные диски, связанные через поводок и резинометаллические амортизаторы с надрессорной балкой, и нажимную пружину, размещенную в металлическом стакане (см. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник. М.: Транспорт.1985, рис. 3.3а, С. 46.). Этот гаситель имеет меньшие осевые габариты вследствие того, что нажимная пружина частично расположена внутри отверстий в подвижных и неподвижных дисках.
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 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. Однако в известном гасителе величина силы трения зависит от сжатия нажимной пружины и его невозможно изменить в зависимости от наличия или отсутствия резонансных колебаний надрессорного строения.
Известно (см. Лужнов Ю.М., Прунцев А.П. Влияние постоянного магнитного поля на трение твердых тел. - Труды МИИТ, 1974, вып. 467), что коэффициент трения (сцепления) в контакте «металл-металл», помимо физических свойств пары трения, зависит от напряженности магнитного поля в пятне контакта и может быть повышен. Для более детального исследования влияния магнитного поля 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 контакта «сталь по стали» при прохождении тока в зоне их контакта возможно повышение коэффициента трения (сцепления) более чем на 20%. В настоящее время данное явление объясняется прежде всего эффектом магнитопластичности, одной из главных причин которого считают увеличение подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля под влиянием электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки (см. Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ). - 2007. - №3. - С. 8-11.).
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран дисковый фрикционный гаситель колебаний, содержащий неподвижные диски, соединенные шпилькой с рамой тележки, подвижные диски, соединенные с надрессорной балкой поводком с резинометаллическим амортизатором, фрикционную крышку, расположенную между подвижным диском и нажимной пружиной, размещенной в стакане, при этом фрикционная крышка выполнена в виде электромагнита, подключенного к источнику тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из датчика ускорения, размещенного на раме тележки и через двойной интегратор и выпрямитель соединенного с выходом сумматора, второй вход которого подключен к блоку уставки, а выход связан с регулятором тока (см. Патент на полезную модель №153297, Российская Федерация, МПК B61F 5/12, Дисковый фрикционный гаситель колебаний [Текст] / Волохов С.Г., Пугачев А.А., Борзенков М.И., Злобин С.Н., Дорофеев О.В., Измеров О.В., Воробьев В.И. Опубл. 10.07.2015, бюл. №19.).
Недостатком указанного дискового фрикционного гасителя колебаний является то, что сила сопротивления гасителя не зависит от направления движения деталей гасителя. Однако при проезде стыковых неровностей пути колесная пара испытывает ударную нагрузку, направленную вверх. Увеличение силы сопротивления гасителя при прохождении тока через обмотку электромагнита также приведет к увеличению ударных нагрузок, действующих на надрессорное строение, что ухудшает плавность хода.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении плавности хода за счет изменения величины силы сопротивления дискового фрикционного гасителя колебаний в зависимости от направления движения обрессоренных частей.
Это достигается тем, что дисковый фрикционный гаситель колебаний, содержащий неподвижные диски, соединенные шпилькой с рамой тележки, подвижные диски, соединенные с надрессорной балкой поводком с резинометаллическим амортизатором, фрикционную крышку, расположенную между подвижным диском и нажимной пружиной, размещенной в стакане, при этом фрикционная крышка выполнена в виде электромагнита, подключенного к источнику тока через подчиненную систему регулирования, состоящую из датчика ускорения, размещенного на раме тележки и через двойной интегратор и выпрямитель соединенного с выходом сумматора, второй вход которого подключен к блоку уставки, а выход связан с регулятором тока, содержит второй датчик ускорения, размещенный на надрессорной балке, через второй двойной интегратор, соединенный с неинвертирующим входом сумматора-инвертора, выход первого двойного интегратора соединен с инвертирующим входом сумматора-инвертора, а выход сумматора связан с регулятором тока через логический элемент «НЕ», второй вход которого связан с выходом сумматора-инвертора через блок определения направления движения.
Предлагаемый дисковый фрикционный гаситель колебаний (Фиг 1, Фиг 2) содержит неподвижные диски 1, соединенные шпилькой 2 с рамой тележки 3, подвижные диски 4, соединенные с надрессорной балкой 5 поводком 6 с резинометаллическим амортизатором 7, фрикционную крышку 8, расположенную между подвижным диском 4 и нажимной пружиной 9, размещенной в стакане 10, при этом фрикционная крышка 8 выполнена в виде электромагнита, подключенного к источнику тока 11 через подчиненную систему регулирования, состоящую из датчика ускорения 12 (ДУ1), размещенного на раме тележки 3 и через двойной интегратор 13 (ДИ1) и выпрямитель 14 соединенного с выходом сумматора 15 (С), второй вход которого подключен к блоку уставки 16 (У), а выход связан с регулятором тока 17 (РТ).
Второй датчик ускорения 18 (ДУ2), размещенный на надрессорной балке 5, через второй двойной интегратор 19 (ДИ2), соединенный с неинвертирующим входом сумматора-инвертора 20 (СИ), выход первого двойного интегратора 13 (ДИ1) соединен с инвертирующим входом сумматора-инвертора 20 (СИ), а выход сумматора 15 (С) связан с регулятором тока 17 (РТ) через логический элемент «НЕ» 21, второй вход которого связан с выходом сумматора-инвертора 20 (СИ) через блок определения направления движения 22 (БОН).
Предлагаемый дисковый фрикционный гаситель колебаний работает следующим образом. При колебаниях рамы тележки 3 относительно надрессорной балки 5 вследствие проезда неровностей пути, амортизатор 7 и поводок 6 перемещаются относительно рамы тележки 3. Вследствие этого связанные с поводком 6 подвижные диски 4 поворачиваются вокруг стакана 10, преодолевая силу трения, возникающего в контакте с неподвижными дисками 1, прижатыми к подвижным дискам 4 нажимной пружиной 9. Через обмотку электромагнита 8 проходит электрический ток, величина которого задается подчиненной системой регулирования. На регулятор тока 17 (РТ) через логический элемент «НЕ» 21 поступает сигнал с выхода сумматора 15 (С). На сумматор 15 (С) подается сигнал от блока уставки 16 (У), который пропорционален заданному предельному уровню амплитуды колебаний рамы тележки, и сигнал от датчика ускорения рамы тележки 12 (ДУ1), который, после двукратного интегрирования интегратором 13 (ДИ1) и выпрямления выпрямителем 14, пропорционален амплитуде перемещений рамы тележки 3. Пока сигнал от блока уставки 16 (У) больше или равен сигналу от датчика ускорений рамы тележки 12 (ДУ1), регулятор тока 17 (РТ) закрыт и ток по обмотке электромагнита 8 не проходит. В случае увеличения амплитуды колебаний рамы тележки, и, следовательно, превышения сигнала от датчика ускорений рамы тележки 12 (ДУ1) над сигналом от блока уставки 16 (У) и отсутствии сигнала на втором входе логического элемента «НЕ» 21 регулятор тока 17 (РТ) открывается, по обмотке электромагнита 8 начинает проходить ток, увеличивается магнитный поток, проходящий через контактирующие поверхности дисков 1 и 4, растет коэффициент трения, что приводит к увеличению силы сопротивления повороту дисков 1 и 4 относительно друг друга. Чем больше сигнал от датчика ускорений тележки 12 (ДУ1) превышает сигнал от блока уставки 16 (У) (что может проявляться, например, при резонансном накоплении энергии колебаний тележки во время проезда периодических неровностей пути), тем больше величина тока в обмотке электромагнита 8 и, следовательно, больше трение в гасителе, больше рассеяние энергии колебаний тележки за счет этого трения, что приводит к ограничению амплитуды этих колебаний.
При колебаниях надрессорной балки 5 сигнал от датчика ускорений надрессорной балки 18 (ДУ2) через второй двойной интегратор 19 (ДИ2) поступает на неинвертирующий вход сумматора-инвертора 20 (СИ), на инвертирующим вход которого поступает сигнал с выхода первого двойного интегратора 13 (ДИ1), в результате чего на выходе сумматора-инвертора 20 (СИ) появляется сигнал, пропорциональный перемещению рамы тележки 3 относительно надрессорной балки 5. Сигнал с выхода сумматора-инвертора 20 (СИ) поступает на вход блока определения направления движения 22 (БОН). На выходе блока определения направления движения 22 (БОН) сигнал появляется при уменьшении сигнала с выхода сумматора-инвертора 20, и поступает на второй вход логического элемента «НЕ» 21, в результате чего на выходе на выходе логического элемента «НЕ» 21 не возникает сигнала независимо от наличия сигнала на его первом входе, регулятор тока 17 (РТ) закрывается, по обмотке электромагнита 8 не проходит тока, трение в гасителе уменьшается, что уменьшает передачу ударной нагрузки при проезде стыка и приводит к повышению плавности хода.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что снижение передачи ударной нагрузки на экипаж при проезде стыков железнодорожного пути повышает плавность хода, уменьшает нагрузки на кузов, повышая его долговечность и тем самым снижает расходы на эксплуатацию локомотива.