Тележка тепловоза
Тележки тепловозов являются их ходовыми частями. Они передают вертикальные нагрузки от веса кузова и рамы тепловоза с установленным на ней силовым и вспомогательным оборудованием на рельсы, создают во взаимодействии с рельсами тяговые и тормозные силы, направляют движение тепловоза в рельсовой колее, передавая на раму тепловоза поперечные усилия от рельсового пути.
Назначение и общее устройство
Тележка — крупный узел тепловоза. Она объединяет в одно целое, в единый комплекс:
- колесные пары,
- буксы,
- тяговые электродвигатели
- тяговые редукторы
- рессорное подвешивание.
Объединены они в одно целое
- рамой тележки.
Рама тележки не только связывает вместе отдельные узлы ходовых частей, но и связывает их с рамой тепловоза, обеспечивая в то же время возможность поворота тележки относительно рамы тепловоза. Конструкция тележки и в особенности ее рамы зависит от способа передачи нагрузок и исполнения опорных устройств.
Так как силовая установка находится в кузове на главной раме, а ведущие колесные пары размещены в тележках, необходимость их поворота значительно затрудняет как передачу вертикальных нагрузок, так и передачу энергии от дизеля к колесным парам.
Схемы передачи нагрузок от рамы тепловоза на тележки
Связь кузова (или рамы) тепловоза с рамой тележки должна обеспечивать передачу сил по всем осям координат: вертикальных сил по оси z, горизонтальных продольных сил по оси х, горизонтальных поперечных сил по оси у при одновременной возможности относительного поворота (вокруг оси д) и передачи энергии. Вес всего оборудования тепловоза, размещенного в кузове, включая и главную раму, должен быть равномерно распределен между обеими тележками, иначе нагрузки от отдельных осей на рельсы могут быть неодинаковыми. Кроме того, связи кузова с тележками должны ограничивать возможности поворота (колебаний) кузова относительно осей х и у. В систему этих связей должны входить так называемые возвращающие устройства, способствующие возвращению тележек (после поворота в кривых) в положение, при котором продольные оси рам тепловоза и тележек совпадают, а также препятствующие самопроизвольным виляниям тележки.
Наиболее распространены следующие основные схемы опирания рамы (и всего надтележечного строения тепловоза) на тележки:
Схемы связей рамы тепловоза с тележками
1. Рама опирается на каждую тележку одной опорой — цилиндрической пятой 1, входящей в подпятник 2 тележки (рис. а). Пята с подпятником образуют шкворневое соединение, являющееся осью поворота тележки относительно рамы в горизонтальной плоскости. И вертикальная нагрузка, и горизонтальные силы передаются через этот узел, работающий поэтому в весьма напряженных условиях.
Для предотвращения недопустимых перекосов кузова и, следовательно, неравномерного распределения нагрузок в шкворневом узле в этой схеме на каждой тележке устанавливаются дополнительные боковые ограничители — скользуны 3, допускающие лишь незначительные отклонения кузова от вертикального положения (1 —1,5 мм — такова величина зазора в скользунах). Это меньше радиального зазора между шкворнем и подпятником. Такая схема передачи нагрузок применялась в первых серийных послевоенных тепловозах (ТЭ1 и ТЭ2). В шкворневом соединении велики силы трения (по торцу и цилиндрической поверхности), препятствующие повороту. Поэтому эти поверхности сильно изнашиваются. С увеличением мощности тепловозов и их тяговых усилий нагрузки на шкворневой узел и его износ оказались чрезмерно большими. В последующих схемах принимались меры по его разгрузке от вертикальных сил.
2. Рама центрируется с тележкой при помощи шкворневого соединения, но опирается на нее не через шкворень, а через боковые опоры 4, расположенные симметрично относительно шкворня (рис. 6). Шкворневой узел, являющийся осью поворота тележки, в этом случае полностью разгружен от вертикальных нагрузок и передает только горизонтальные силы. Рабочей в нем является лишь цилиндрическая поверхность. Вертикальные нагрузки полностью воспринимаются опорами, которые обычно выполняются роликовыми (с трением качения). Наличие четырех боковых опор на тележке существенно улучшает устойчивость кузова на тележке в продольной и поперечной вертикальных плоскостях.
По такой схеме выполнена экипажная часть основных серий грузовых тепловозов (ТЭЗ, 2ТЭ10Л). На маневровых тепловозах (ТЭМ1 и ТЭМ2) применена такая же схема, но боковые опоры выполнены по типу скользунов (с трением скольжения). На тепловозах 2ТЭ10В и 2ТЭ116 для улучшения динамических качеств допускается небольшое (±40 мм) поперечное смещение шкворня относительно тележки.
3. Вертикальная нагрузка от рамы тепловоза передается на каждую тележку через две—четыре боковые опоры при фактическом отсутствии шкворневого узла. Ввиду того что необходимый угол поворота рамы тележки относительно рамы тепловоза невелик (не более 5—7°), оказывается возможным обеспечить центрирование тележки при помощи так называемого фиктивного шкворня, роль которого выполняет система коротких горизонтальных поводков, передающая продольные горизонтальные силы (рис. в). Шарниры поводков 5 соединены с рамой тележки, а 6 — с рамой тепловоза. Такая схема оказывается необходимой в особенности для трехосных тележек тепловоза с гидропередачей, где необходимость механического привода средней оси затрудняет размещение шкворневого узда, как, например, на опытном тепловозе ТГ106.
4. Рама тепловоза опирается на раму тележки через несколько (четыре, как на тепловозе ТГ102, или шесть) боковых упругих опор при отсутствии шкворня. Возможность поворота тележки обеспечивается упругостью резинометаллических опорных элементов и небольшим (до 20 мм в одну сторону) поперечным смещением опорных коробок по бронзовым направляющим на раме тележки. Горизонтальные силы передаются также через опорные элементы, которые имеют вид конических втулок.
5. Рама тепловоза опирается на раму тележки через две главные вертикальные маятниковые опоры 8 — качающиеся стойки, расположенные на ее продольной оси (рис. г). Каждая опора соединена с рамой кузова и рамой тележки через конические резинометаллические втулки. Эти опоры передают и продольные горизонтальные силы, и половину вертикальной нагрузки.
Вертикальные нагрузки (вторая половина веса надтележечного строения) воспринимаются также четырьмя боковыми вертикальными стойками 7. Наличие боковых опор обеспечивает поперечную устойчивость кузова.
Такая схема передачи нагрузок применена на пассажирских тепловозах ТЭП60, а также на некоторых электровозах. Она характерна полным отсутствием трения скольжения в главных опорах. Возможность поворота тележек обеспечивается отклонением главных опор от вертикальной оси (рис. д). Горизонтальные упругие тяги 9 способствуют передаче поперечных сил и воз-вращению тележки в исходное положение. Маятниковое подвешивание увеличивает устойчивость надтележечного строения тепловоза за счет снижения высоты точки передачи веса на раму тележки, способствует уменьшению воздействия на путь и поэтому нашло распространение в различных вариантах в целом ряде конструкций современных локомотивов.
6. Рама тепловоза при наличии шкворня, являющегося осью поворота и передающего горизонтальные силы, своими кронштейнами 10 (рис. е) подвешивается к раме каждой тележки на четырех боковых маятниковых подвесках 11. Такая схема применена на маневровых тепловозах ЧМЭЗ. Оси наклонных подвесок пересекаются на оси шкворня.
Осуществлены схемы с двумя боковыми маятниковыми подвесками при наличии центрального шкворня для передачи горизонтальных сил (тепловозы французских фирм). В некоторых конструкциях продольные горизонтальные силы передаются системой длинных наклонных тяг 12, соединяющих раму с тележкой так, что точка пересечения их осей находится на уровне ниже центров ведущих осей (рис. ж). Такое соединение способствует лучшему использованию сцепного веса локомотива.
7. Если боковые упругие опоры выполнить в виде комплекта высоких пружин, закрепленных соответственно своими концами в рамах тепловоза и тележки, то при смещении тележки возвращающая сила будет возникать вследствие сопротивления пружин поперечному сдвигу. Такая схема в настоящее время получила распространение в тепловозостроении и применена на тепловозах ТЭП70. Горизонтальные силы в этом случае передаются низко опущенным шкворнем.
Типы тележек
Тележки тепловозов конструктивно различаются в зависимости от типа передачи, числа осей, способа передачи вращающего момента от двигателя на колесные пары. Кроме того, конструкция тележки и ее рамы зависит от способа передачи нагрузки от кузова. Тележки могут быть двух-, трех- и четырехосными.
Тележка состоит из рамы тележки с опорно-возвращающими устройствами, колесных пар с буксами, приводных устройств для передачи вращающего момента от двигателя, рессорного подвешивания. На тележке размещается также оборудование тормозной и песочной систем.
На современных серийных отечественных тепловозах применяются тележки трех основных типов:
- трехосная челюстная тележка тепловозов с электрической передачей и опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей (тепловозы ТЭЗ, ТЭ7, 2ТЭ10Л, М62, ТЭМ1, ТЭМ2 и др.);
- то же бесчелюстная (тепловозы 2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116);
- трехосная бесчелюстная тележка тепловозов с электрической передачей и опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей (тепловозы ТЭП70, 2ТЭ121 и ТЭП60).
Тележки с опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей
Трехосная челюстная тележка такого типа с небольшими конструктивными различиями применяется на многих грузовых и маневровых тепловозах с электрической передачей. Три колесные пары 10 своими буксами 6 м 11 установлены в челюсти рамы 1 тележки. Челюсти снизу стянуты струнками 9. Все колесные пары имеют поперечный разбег относительно рамы тележки. Вертикальная нагрузка от рамы тепловоза передается на тележку через четыре опоры 3, размещенные по окружности диаметром 2730 мм вокруг шкворня. Шкворень рамы, входящий в гнездо подпятника шкворневой балки, передает только горизонтальные силы (тяговые, тормозные, инерционные).
Опоры 3, помимо передачи вертикальной нагрузки на тележку, используются для ограничения колебаний кузова и тележки в горизонтальной плоскости. Поэтому опора включает в себя и возвращающее устройство роликового типа.
Трехосная бесчелюстная тележка, помимо конструкции буксового узла, отличается односторонним расположением тяговых электродвигателей 3: все они размещены по одну сторону от своих колесных пар 8 («гуськом») — к центру секции. Такое расположение двигателей уменьшает разгрузку отдельных осей и улучшает использование сцепного веса тепловоза. Подпятник шкворня 15 имеет возможность поперечного смещения относительно шкворневой балки 9. Буксы 5 и 11 связаны с рамой тележки поводками 12, которые передают горизонтальные силы. Вертикальная нагрузка передается на каждую буксу через два комплекта пружин 10.
Рамы тележек
Конструкция рамы тележки зависит от назначения тележки, числа осей, устройства опор кузова и способа передачи крутящего момента от тягового электродвигателя или редуктора гидравлической передачи. Основными элементами рамы являются ее боковые балки (боковины), с которыми соединяются буксы.
Схемы рам тележек
В зависимости от числа осей тележки и способа передачи на нее вертикальной нагрузки боковины рамы могут соединяться по-разному. На двухосных тележках боковины 1 соединяются тремя поперечными балками (рис. а), средняя из которых (2) является более мощной. В случае центрального приложения вертикальной нагрузки через шкворень она называется шкворневой и передает все силы между тележкой и рамой тепловоза, причем основной нагрузкой на нее является изгибающий момент от вертикальных сил. Концевые балки 3 служат для обеспечения жесткости конструкции рамы и закрепления на ней других узлов тележки.
На трехосной тележке с передачей сил через две центральные опоры (рис. в), как на тепловозах ТЭ60 и ТЭП70, шкворневых балок две (4).
В случае если вертикальная нагрузка передается через боковые опоры непосредственно на боковины, как на тепловозах ТЭЗ и 2ТЭ10Л (В), средние поперечные балки 4 (рис. 6) не воспринимают изгибающих моментов от вертикальных нагрузок и выполняются более легкими. Однако для размещения подпятника шкворня и передачи продольных сил здесь необходима продольная шкворневая балка 2, опирающаяся на балки 4.
С конструктивно-технологической точки зрения рамы тележек различаются по исполнению боковин. Они могут быть брусковыми, литыми или коробчатыми (сварными). Брусковые рамы с боковинами, вырезанными из толстого стального листа, применялись на тепловозах ТЭ2. Рамы с боковинами из стального литья, имеющие большой вес, применяются на некоторых электровозах (ВЛ8), а также на тепловозах США, где на железных дорогах допускаются значительно большие, чем у нас, нагрузки от осей на рельсы (до 300-350 кН).
Боковины рам тележек большинства отечественных тепловозов имеют коробчатое сечение, образованное сваркой из стальных листов или штампованных профилей. В конструкции рамы такие боковины сочетаются с литыми элементами. Примером комбинированной рамы может служить рама трехосной тележки тепловозов ТЭЗ и 2ТЭ10Л. Рама состоит из двух боковин 8, двух междурамных поперечных балок 1, двух концевых балок 3 и продольной шкворневой балки 2. Боковины рамы и поперечные балки 1 выполнены из листовой стали и имеют коробчатое сечение. Соединения боковин и поперечных балок усилены накладкой верхнего листа 4 и в местах соединения балок развиты для возможности установки боковых опор. Посредине шкворневой балки расположено цилиндрическое гнездо (пята) 12 для шкворня рамы тепловоза. Шкворень на дно гнезда шкворневой балки не опирается и передает только горизонтальные (продольные и поперечные) усилия. В гнездо вставлена сменная цилиндрическая втулка, заменяемая при износе.
Вес верхнего строения тепловоза передается на тележку через четыре опоры, расположенные по окружности. Такая передача нагрузки освобождает шкворневую и поперечные балки рамы тележки от изгибающих усилий и обеспечивает устойчивое положение тележки под тепловозом. Опоры тележки являются одновременно и устройствами, возвращающими тележку в прямое положение при выходе тепловоза с криволинейных участков пути на прямой. К боковинам рамы приварены литые буксовые челюсти 6 с наличниками 7 из стали 60Г. К поперечным балкам 1 приварены и дополнительно прикреплены болтами кронштейны 9 и 11, один из которых (11) имеет опоры под тяговые электродвигатели с двух сторон, а другой (9) — с одной стороны. По бокам рама тележки имеет выступающие опоры 10 для пружин рессорного подвешивания.
Снизу буксовые челюсти стянуты подбуксовыми струнками 5. Струнка по концам имеет охватывающие выступы, которые пригнаны к челюсти по краске. Между стрункой и челюстью имеется зазор для натяга струнки. В зазор вставляют прокладку, которая зажимается между челюстью и стрункой болтами. Головки болтов приваривают к челюсти для предотвращения проворачивания болтов при завертывании гаек.
Опорно-возвращающее устройство
Служит для передачи вертикальной нагрузки на тележку, удержания тележки во время движения в положении, при котором ее продольная ось совпадает с продольной осью тепловоза, и для возвращения тележки в это положение при ее отклонении. Опорно- возвращающее устройство представляет собой стальную коробку 4, в которой помещены нижняя 6 и верхняя 2 опорные плиты и гнездо 1, на которое опирается сферическая (грибовидная) опора рамы тепловоза. Между верхней и нижней опорными плитами находятся два ролика 5, соединенных обоймами 7,
Внутренняя полость опорно-воз-вращающего устройства заполняется осевой смазкой. Для предохранения от пыли корпус сверху закрыт крышкой 3, а вся опора — брезентовым чехлом. Рабочие поверхности верхней 2 и нижней 6 опорных плит не горизонтальные, а наклонены в обе стороны от среднего положения ролика на небольшой угол (2°). При входе тепловоза в кривую опорные плиты смещаются относительно друг друга и ролики накатываются на наклонные поверхности плит, при этом возникает горизонтальная сила, которая стремится вернуть опоры в первоначальное положение. Момент, создаваемый этими силами всех опор, на плече, равном их расстоянию (радиусу) от центра поворота тележки, носит название возвращающего.
Кроме перекатывания роликов по наклонным плоскостям, при поворотах тележки имеет место еще скольжение гнезда 1 по опоре рамы тепловоза и поворот гнезда относительно этой опоры. Таким образом, отклонению тележки препятствует не только возвращающий момент, но и момент трения между поверхностями указанных деталей. Чтобы обеспечить возвращение тележки в первоначальное положение, возвращающий момент должен быть больше момента сил трения. Соотношение этих моментов зависит от угла у (см. схемы связей рамы тепловоза с тележками,6) смещения поперечной оси опоры относительно радиуса, соединяющего центр шкворня тележки с центром хвостовика опорно- возвращающего устройства. Угол установки опор у в тележках грузовых и маневровых тепловозов (2ТЭ10Л, ТЭЗ, ТЭМ2 и др.) принят равным 5°.
Недостатком рассмотренной конструкции является постоянство возвращающей силы (так как угол наклона опорных плит неизменен, то величина горизонтальной составляющей силы тяжести не зависит от угла поворота). Поэтому на бесчелюстных тележках тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116 рабочие поверхности опорных плит выполнены не наклонными, а цилиндрическими — по дуге большого радиуса. В результате угол наклона касательной становится переменным и возвращающая сила увеличивается с увеличением угла поворота. Для увеличения роли трения при относительном скольжении ролики опор этих тепловозов размещены не по радиусу, а параллельно оси тележки. Все это, вместе взятое (а также возможность поперечного смещения подпятника шкворня), обеспечило снижение динамических усилий при движении тепловоза в кривых. .
РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ
Колебания тепловоза при движении
Причинами колебаний тепловоза при движении по железнодорожному пути являются периодически повторяющиеся воздействия от неровностей пути, рельсовых стыков, изменения жесткости пути на различных его участках, неравномерного износа бандажей, наличия зазоров в буксовых узлах, искажений геометрической формы круга катания колес. Колебаниям подвержен как тепловоз в целом, так и его надрессорное строение (кузов, рама, рамы тележек) в отдельности.
В зависимости от характера перемещений различают следующие основные виды колебаний тепловоза в целом:
- виляние — колебательные перемещения продольной оси тепловоза относительно оси пути в горизонтальной плоскости, связанные с поперечными перемещениями тележек в разных направлениях. Эти колебания являются причиной извилистого движения локомотива в рельсовой колее;
- относ — поперечные перемещения локомотива в рельсовой колее при сохранении параллельности осей локомотива и пути (обе тележки перемещаются в одном направлении).
Колебания тепловоза в целом, как правило, носят несистематический характер, имеют невысокую частоту и зависят в значительной мере от состояния рельсовой колеи.
Колебания верхнего (надрессорного) строения тепловоза более часты и разнообразны. Упругие элементы в конструкции ходовых частей (рессоры) поглощают часть энергии, передаваемой при ударах со стороны пути. Поглощенная энергия преобразуется в колебания надрессорного строения.
Основные виды колебаний надрессорного строения локомотивов следующие:
- подпрыгивание (рис. а) — вертикальные перемещения надрессорного строения. Плоскость рамы тепловоза при подпрыгивании остается параллельной плоскости пути;
- продольная качка (рис. б) — колебания локомотива в продольной вертикальной плоскости относительно горизонтальной поперечной оси;
- поперечная (или боковая) качка (рис. в) —колебания локомотива в вертикальной поперечной плоскости относительно горизонтальной продольной оси.
Колебания тепловозов увеличивают динамические нагрузки и существенно влияют как на прочность их конструкций, так и на устойчивость движения.
Назначение рессорного подвешивания
Смягчению динамических нагрузок, снижению частоты и гашению колебаний способствует применение в схемах передачи нагрузки на колесные пары упругих элементов, которые включаются между рамами тележек и буксами, а иногда, как об этом говорилось выше, и между кузовом и тележками.
Совокупность упругих элементов, связанных с передачей вертикальных нагрузок в конструкции локомотивов, называется упругим, или рессорным, подвешиванием.
Вес рамы и верхнего строения тепловоза передается через упругие элементы — рессоры — на буксы колесных пар. Рессоры отдельных ко-лесных пар в тележке составляют общую систему — рессорное подвешивание, в состав которого могут входить другие (жесткие) детали. Так, рессоры могут быть соединены между собой балансирами и подвесками для того, чтобы выравнивать и перераспределять нагрузки на отдельные колесные пары в случае перегрузки их во время движения.
Таким образом, назначение рессорного подвешивания состоит в том, чтобы передавать вес тепловоза на шейки колесных пар, равномерно распределять этот вес между осями всех колесных пар и смягчать ударные нагрузки, действующие на колеса со стороны пути. Вес всех частей тепловоза, расположенных над рессорами (т. е. вес надрессорного строения), называется подрессоренным весом в отличие от неподрессоренного (в основном веса колесных пар с буксами), который передается на рельсы без амортизации. Особенно важна роль рессорного подвешивания в смягчении ударов, возникающих при прохождении стыков рельсов и из-за дефектов поверхности катания (выбоины, эксцентричность) и пути (неравномерный прогиб рельсов из-за плохой подбивки шпал и др.).
При движении тепловоза упругий прогиб рельсов вызывает появление вертикальных ускорений колесных пар, в 2,5—3 раза превышающих ускорение силы тяжести g, равное 9,81 м/с2. На стыках рельсов при высоких скоростях движения (особенно зимой, при более жестком пути) эти ускорения могут достигать (8—10) g и более. Поэтому если бы вес тепловоза передавался на шейки осей без рессор, то напряжения как в осях, так и в рельсах были бы чрезвычайно большими.
Типы упругих элементов
В качестве устройств, обладающих упругими свойствами, в конструкции упругого подвешивания можно применять листовые рессоры, винтовые пружины, пневматические и резиновые элементы.
Применение листовых рессор, представляющих собой набор стальных полос (листов), способствует гашению колебаний. Трение между листами в листовых рессорах поглощает энергию колебаний и приводит к их затуханию. Однако листовые рессоры из-за наличия этого трения практически нечувствительны к малым (по величине или амплитуде колебаний) возмущениям. Если эти нагрузки не превышают по величине силы внутреннего трения, то рессоры передают их жестко.
Пружины деформируются прямо пропорционально нагрузке и не имеют внутреннего трения. Вследствие этого колебания в пружинном подвешивании гасятся очень медленно. Поэтому в конструкциях упругого подвешивания одновременно с пружинами применяют дополнительные упругие элементы, ускоряющие затухание колебаний. Такими элементами могут быть резиновые или резинометаллические амортизаторы. Однако их поглощающая (демпфирующая) способность недостаточна.
Поэтому в бесчелюстных тележках с пружинным подвешиванием применяют специальные фрикционные (или другого типа) гасители колебаний. В опытном порядке на ряде локомотивов используются пневматические рессоры, которые обладают малым весом и хорошими упругими свойствами. Их недостаток — большие габариты.
Типы рессорного подвешивания.
Рессоры отдельных букс в тележке могут быть не связаны в общую систему. Подвешивание из независимых друг от друга рессор называется несопряженным, или индивидуальным. Такое подвешивание имеют бесчелюстные тележки тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116. В ряде случаев рессоры в тележке соединяют между собой балансирами и подвесками. Такое подвешивание называется сопряженным, или сбалансированным.
В сопряженном подвешивании сохраняется заданное соотношением плеч балансиров распределение как статических, так и динамических нагрузок по колесным парам. Положение равнодействующей этих нагрузок при этом не меняется, В связи с этим все нагрузки в такой группе рессор можно заменить равнодействующей, приложенной в одной точке. Поэтому группу сопряженных рессор называют точкой подвешивания. На серийных тепловозах с челюстными тележками (ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭМ2), а также на ТЭП60, 2ТЭ121 применено четырехточечное подвешивание (все рессоры одной стороны каждой тележки сопряжены балансирами и представляют одну точку подвешивания).
Если нагрузка от рамы тележки на буксы передается последовательно через один рессорный элемент (рис. а), подвешивание называют одинарным; если нагрузка передается последовательно через два элемента — двойным (рис. б). Двойное подвешивание применено на тепловозе 2ТЭ121.
Различают также одноступенчатое или двухступенчатое подвешивание. Одноступенчатой называется система, в которой все упругие элементы, как у большинства грузовых и маневровых тепловозов, размещены между рамой тележки и буксами. Двухступенчатым (или двухъярусным) подвешиванием (рис. в) называется система, в которой, помимо первой (буксовой) ступени подвешивания, имеется вторая ступень (центральная), упругие элементы которой размещаются между рамой тепловоза и рамой тележки, т. е. входят в состав опорных устройств кузова. Двухступенчатое подвешивание применено на тепловозах ТЭП60, 2ТЭ121. ТЭП70 и ТЭМ7.
Характеристики упругих элементов.
Главными параметрами упругих элементов в отдельности и рессорного подвешивания в целом являются прогиб и жесткость.
Прогибом f рессоры (или пружины) называется величина её деформации (по высоте) под действием приложенной нагрузки. Прогиб рессорного элемента (или подвешивания в целом) под действием веса расположенных над ним узлов локомотива в неподвижном (статическом) состоянии называется статическим — fст. В настоящее время считается, что рессорное подвешивание грузовых тепловозов должно иметь статический прогиб порядка 100—120 мм, пассажирских — 160—180 мм. т. е. численно должно примерно соответствовать конструкционной скорости тепловоза в км/ч. Прогиб рессорных элементов в рабочем диапазоне нагрузок прямо пропорционален величине вертикальной нагрузки Р.
Упругость рессорных элементов характеризуется их жесткостью ж, которая представляет отношение вертикальной нагрузки к прогибу: ж=Р/f. Иными словами, жесткость представляет собой нагрузку, необходимую для прогиба рессоры на единицу высоты (обычно на 1 мм). Жесткость поэтому измеряется в кН/мм.
Иногда для характеристики подвешивания используется понятие гибкости рессоры г, которая является величиной, обратной жесткости, и представляет собой величину прогиба на единицу нагрузки: г = f/Р.
Жесткость системы упругих эле-ментов зависит от жесткости входящих в нее элементов и характера распределения нагрузки между ними. Предположим, что нагрузка Р передается через параллельно работающие упругие элементы (рис.а), имеющие различные жесткости:
Ж1, Ж2 и Ж3.
Каждая из пружин будет воспринимать соответственно нагрузку
Р1, Р2 и Р3:
P1=ж1f1, P2=ж2f2, P3=ж3f3,
Если рассматривать систему в целом, то для нее Р=жf, где ж и f соответственно являются жесткостью и прогибом системы упругих элементов.
Так как очевидно, что P = Р1+ Р2 + Р3, то жf = ж1f1+ ж2f1 + ж3f1.
Если при параллельной работе пружин обеспечивается одинаковая величина их деформаций то
ж=ж1+ж2+Ж3
Таким образом, жесткость системы параллельно нагруженных упругих элементов равна сумме жесткостей этих элементов.
Рассмотрим аналогичную систему последовательно работающих упругих элементов (рис. б). Прогибы пружин соответственно равны
Очевидно, что прогиб системы равен сумме прогибов ее элементов f = f1+ f2 + f3,. Тогда
Р/ж=Р1/ж1+Р2/ж2+Р3/ж3
Ясно, что нагрузки, действующие на отдельные пружины, равны между собой и равны нагрузке Р, приложенной к системе (Р1 = Р2=Р3 = Р).
Следовательно,
l/ж = 1/ж1 + 1/ж2+ 1/ж3 или
г = г1+г2+г3.
Таким образом, при последовательном нагружении упругих элементов гибкость системы равна сумме гибкостей этих элементов.
Жесткость рессорного подвешивания
В систему рессорного подвешивания могут входить и параллельно, и последовательно нагруженные упругие элементы. Для определения общей жесткости всей системы в этих случаях необходимо сначала заменить все группы последовательно работающих элементов условными (эквивалентными) рессорами и определить их эквивалентные жесткости l/ж = 1/ж1 + 1/ж2+ 1/ж3.
Затем, когда останется система параллельно работающих элементов, определить их суммарную жесткость ж=ж1+ж2+Ж3 , которая и будет жесткостью всей системы.
Таким образом, для определения жесткости системы необходимо знать доли общей нагрузки δi, воспринимаемые отдельными элементами, и их жесткости жi.
Рессорное подвешивание челюстных тележек
Рессорное подвешивание челюстных тележек тепловозов 2ТЭ10Л, ТЭЗ и т. д. включает в себя два средних и два концевых рессорных комплекта, а также балансиры 11 и подвески 12, связывающие эти комплекты в единую систему. Средний комплект состоит из восьмилистовой рессоры 9 и двух цилиндрических пружин 4. Пружины и рессора связаны в единый узел при помощи валика 2, проходящего через отверстия в проушинах опоры 3 и хомута 8. Чтобы предохранить проушины от износа, в их отверстия запрессованы стальные втулки 1. Рама тележки 10 опирается на средний комплект через тарелки 7 и резиновые амортизаторы (шайбы) 5. Шайбы и пружины фиксируются в комплекте штифтами 6 тарелок 7. Концевой комплект состоит из цилиндрической пружины 4, подвески 13, валика 14, резиновой шайбы 5, тарелки 7 и подкладки 17, зафиксированных гайкой 16 и штифтом 15. Пружина та же, что и для среднего комплекта (из прутковой стали 60С2 диаметром 40 мм). Нагрузки в этой системе распределяются следующим образом (рис. 11.32): на средние комплекты приходится по одной трети вертикальной нагрузки на точку подвешивания, на концевые — по одной шестой. Таким образом, Δcр=1/3; Δk=1/6.
Определим жесткость системы (точки) жтп, обозначив жесткость ее элементов листовых рессор, пружин и резиновых амортизаторов соответственно жл, жпр и жр.
Тогда Δл= 1/3; Δпр= 1/6; Δр=1/6;
Если принять жл = 1,75 кН/мм, жпр = 1,0 кН/мм и жср=10,0 кН/мм, получим жтп = 3,4 кН/мм.
Жесткость подвешивания тележки жтел = 2жтел, жесткость подвешивания тепловоза жтепл= 2жтел= 4жтп= 13,6 кН/мм.
Рессорное подвешивание бесчелюстных тележек
Рессорное подвешивание бесчелюстных тележек, тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116 является индивидуальным, несбалансированным. Рессорные комплекты всех букс, состоящие каждый из трех концентричных пружин, работают параллельно.
Если обозначить через жк — жесткость одного пружинного комплекта буксы, то для буксы — точки подвешивания — жтп = 2жк для тележки жтел = 12жк, для тепловозов жтепл = 24жк,.
Индивидуальное рессорное подвешивание примерно в 3 раза легче сбалансированной системы, в ней отсутствуют изнашиваемые шарниры (24 точки смазывания на тележку). Однако индивидуальная система требует тщательного подбора пружин по размерам и жесткости.
Литература
Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб, для техникумов/В. Д. Кузьмич, И. П. Бородулин, Э. А. Пахомов и др.; Под ред. В. Д. Кузьмича,—2-е изд., перераб. и доп—М.: Транспорт, 1991.—352 с.