Рессорное подвешивание вагонов
РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ - один из важнейших элементов ходовой части, от которого зависит плавность хода и динамические показатели при движении вагона по неровностям ж.-д. пути. В рессорном подвешивании применяются упругие элементы, гасители колебаний и возвращающие устройства (пассажирские вагоны), обеспечивающие плавность хода, повышающие безопасность движения вагона, создающие комфортные условия для пассажиров, служащие для сохранения качества перевозимых грузов. Упругие элементы (витые стальные пружины, резинометаллические, пневматические, торсионные, тарельчатые, кольцевые, эллиптические листовые рессоры) смягчают толчки и удары, действующие на движущийся вагон от железнодорожного пути. В статическом положении вагона упругие элементы прогибаются под нагрузкой (статический прогиб).
Классификация
В рессорном подвешивании вагонов наибольшее распространение получили витые цилиндрические пружины, которые позволяют получать необходимые упругие характеристики (гибкость и жесткость) при малой массе и габаритных размерах; смягчают вертикальные и горизонтальные толчки и удары, а в совокупности с гасителями колебаний обеспечивают спокойный ход вагона и безопасность движения. Цилиндрические пружины изготавливаются завивкой из стали 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А.
Конические пружины
Конические пружины применяются для получения нелинейной силовой характеристики (зависимость прогиба от действующей на пружину внешней нагрузки), которая обеспечивает непериодичность колебаний и уменьшает опасность возникновения резонанса. Эти пружины сложны в изготовлении и ремонте и поэтому не нашли широкого применения в вагоностроении.
Пневматические рессоры
Пневматические рессоры являются наиболее прогрессивными упругими элементами рессорного подвешивания, применяются в тележках пассажирских вагонов скоростных поездов (ЭР-200, «Русская тройка», «Сокол»). Они позволяют поддерживать горизонтальное положение пола вагона на определенном уровне над головками рельсов независимо от нагрузки, что обеспечивается автоматическим регулированием давления воздуха внутри рессор. Кроме того, они обладают хорошими вибро- и шумогасящими свойствами, имеют малую массу. Однако они сложнее по конструкции и обслуживанию.
Пневморессоры бывают баллонного, диафрагменного и смешанного типов. Диафрагменные пневморессоры наиболее предпочтительны, т. к. позволяют получать регулируемые характеристики вертикальной и горизонтальной жесткости. В систему пневматического рессорного подвешивания входит компрессор, который используется одновременно для получения сжатого воздуха для автотормозов и автоматического открывания и закрывания входных дверей пассажирских вагонов.
Резиновые и резинометаллические упругие элементы
Резиновые и резинометаллические упругие элементы обладают хорошими амортизирующими свойствами, способностью гасить вибрационные и звуковые колебания, имеют почти в 5 раз большую энергоемкость и почти в 6 раз меньшую объемную массу, чем у стали. Однако недостаточное применение таких элементов в вагонах объясняется свойствами резины, существенно влияющими на упругие характеристики при различных климатических условиях и длительности эксплуатации. На железных дорогах России резиновые элементы применяются в виде упругих прокладок в буксовом рессорном подвешивании и боковых скользунах, а также в шкворневых узлах тележек скоростных вагонов и вагонов электро- и дизель-поездов.
Резинометаллические рессоры изготавливаются набором резиновых элементов с привулканизированными к ним металлическими пластинами. Резиновые элементы могут работать на сжатие, сдвиг и на сжатие со сдвигом.
Торсионная рессора
Торсионная рессора (торсион - стержень, работающий на кручение) представляет собой стержень, один конец которого закреплен в кронштейне, например, рамы тележки (необрессоренная масса), а другой - жестко соединен с рычагом, который в свою очередь шарнирно соединен, например, с надрессорной балкой тележки (обрессоренная масса). Торсион изготавливается из специальной хромоникельмолибденовой термически обработанной стали. Нагрузка на рычаг вызывает скручивание торсиона при его повороте, вследствие чего возникают упругие деформации кручения, гасящие амплитуду колебаний вагона. Торсионные рессоры применяются у полувагонов для облегчения поднимания крышек люков после разгрузки кузова. На зарубежных ж. д. торсионные рессоры применяются в некоторых тележках вагонов.
Тарельчатая рессора
Тарельчатая рессора состоит из ряда упругих стальных тарелей, соединенных в секции по две, четыре, шесть и т. д. (в зависимости от получения заданного статического прогиба). Под воздействием силы тарели распрямляются, вследствие возникающего прогиба и трения по концам тарелей смягчается ударная нагрузка. В вагоностроении тарельчатые рессоры применяются очень редко.
Кольцевая рессора
Кольцевая рессора состоит из наружных и внутренних стальных колец, опирающихся друг на друга своими конусными поверхностями. Под действием силы возникает прогиб рессоры вследствие упругих деформаций растяжения наружных и сжатия внутренних колец. Эта рессора может амортизировать до 60-70% воспринимаемой ею нагрузки; может применяться в рессорном подвешивании тяжеловесных грузовых вагонов и поглощающих аппаратах автосцепки.
В тележках старого типа применяется эллиптическая листовая рессора конструкции Н. К. Галахова, разработанная им в 1909 г. в бывших Тамбовских мастерских (ныне Тамбовский вагоноремонтный завод). По простоте устройства и гибкости она превосходит эллиптические рессоры Клиффа (США) и И.О. Брауна (Россия). Рессора Н. К. Галахова, имеющая примерно форму эллипса, состоит из двух пятирядных половин, соединенных по концам. Элементами рессорного подвешивания вагонных тележек являются также гасители колебаний, ограничивающие амплитуду колебаний кузова, особенно при резонансных скоростях движения и поглощающие энергию колебаний. Деформация упругих элементов рессорного подвешивания способствует снижению сил и ускорений, воспринимаемых кузовом вагона, при прохождении неровностей пути.
Наиболее широко на ж.-д. подвижном составе применяются фрикционные (в основном в тележках грузовых вагонов) и гидравлические (тележки пассажирских вагонов) гасители колебаний.
Во фрикционных гасителях колебаний вагонов работа сил трения преобразуется в тепловую энергию, рассеиваемую в окружающей среде. Фрикционный клиновый гаситель состоит из двух фрикционных клиньев, размещенных между опорными поверхностями конца надрессорной балки и фрикционными планками, укрепленными на колонках боковой рамы тележки. Клинья опираются на двухрядные пружины, а конец надрессорной балки - на пять двухрядных цилиндрических пружин. Возникающие при колебании кузова вагона силы трения между клиньями и планками прямо пропорциональны прогибу пружин и возрастают с его увеличением. Такой гаситель колебаний имеет несимметричную силовую характеристику (сила трения при разгрузке рессорного комплекта больше, чем при его нагрузке).
Фрикционный гаситель колебаний с постоянной силой трения состоит из башмаков со стаканами и пружинами, установленных в пазах надрессорной балки. Стакан прижат к фрикционной планке предварительно сжатой пружиной; создаваемая гасителем колебаний сила трения постоянна и зависит только от жесткости и величины предварительного сжатия пружины, а также от коэффициента трения трущихся поверхностей.
Во фрикционном цилиндрическом гасителе колебаний силы трения, пропорциональные прогибу рессорного подвешивания, возникают на трущихся поверхностях стакана и двух раздвигающихся клиньев при их относительных перемещениях при деформации пружины под действием нагрузки от надрессорной балки тележки, которая передается на дисковый гаситель колебаний через нажимной конус и прокладку. В надбуксовом подвешивании моторных тележек некоторых электропоездов устанавливается также фрикционный дисковый гаситель колебаний. Применяются телескопические фрикционные гасители, которые устанавливаются вертикально и наклонно для одновременного гашения амплитуд вертикальных и горизонтальных колебаний вагона. Они просты по конструкции и позволяют быстро заменять неисправный гаситель колебаний.
В тележках пассажирских вагонов применяются гидравлические телескопические гасители колебаний, в которых сила сопротивления создается из-за перемещения вязкой жидкости (веретенное, трансформаторное, приборное масло) поршнем из одной полости в другую через узкие калиброванные (дроссельные) отверстия. Возникающее при этом вязкое трение зависит от скорости перемещения жидкости. При трении механическая энергия колебательного движения вагона превращается в тепловую, которая затем рассеивается.
Для смягчения действия горизонтальных динамических нагрузок (боковых толчков), возникающих при набегании гребней колес на головку рельса, извилистом движении тележки, проходе криволинейных участков пути и стрелок, и для возвращения отклоненного кузова в среднее положение на вагонных тележках пассажирских вагонов устанавливаются возвращающие устройства. Различают устройства, возвращающая сила которых создается на счет использования: силы тяжести кузова, воздействующего на тележку; поперечной упругости элементов рессорного подвешивания вагона. К первому типу относятся устройства, в которых имеются катки между наклонными плоскостями и люлечное рессорное подвешивание с вертикальными и наклонными люлечными подвесками, которые шарнирно соединены с надрессорной балкой тележки и с балкой, на которую опираются пружины рессорного подвешивания.
Для улучшения поперечной устойчивости пассажирского вагона при высокой вертикальной гибкости рессорного подвешивания применяются стабилизаторы (в основном рычажной и торсионной конструкций), обеспечивающие упругое сопротивление только крену кузова вагона и позволяющие значительно увеличивать суммарный статический прогиб рессорного подвешивания вагона.