Составление схемы рессорного подвешивания тележки и определение динамических параметров локомотива

Масса локомотива разделяется на подрессоренную и неподрессоренную. К неподрессоренным массам относят массу колесной пары с буксами, часть массы рессорного подвешивания первой ступени (примерно 2/3), около половины массы тягового электродвигателя при опорно-осевом его подвешивании (двигатель опирается одним концом на ось колесной пары, а другим — на раму тележки). Неподрессоренная масса, приходящаяся на одни колесно-моторный блок у тепловозов с опорно-осевой подвеской двигателя (ТЭМ2, М62 и др.), составляет 4,5—4,6 т. При движении тепловоза его подрессоренные и неподрессоренные массы совершают колебания относительно рельсового пути. Причем колебания колесных пар (неподрессоренных масс) происходят самостоятельно, независимо от колебаний всего экипажа. У тепловозов различают следующие основные виды колебаний: подпрыгивание, галопирование, поперечная качка, виляние и боковой относ.

Колебания локомотива приносят много вреда, сопровождающие колебательный процесс чрезмерные динамические нагрузки расстраивают путь, нарушают плавность хода, а иногда могут вызывать сход экипажа с рельсов. Воспринимаемые экипажем динамические нагрузки вредно отражаются на работе тягового оборудования, ухудшают условия труда локомотивной бригады.

Основными параметрами (характеристиками) всех колебательных процессов являются: массы, участвующие в колебательном процессе, размах (амплитуда) колебаний и частота или период колебаний. Количественные показатели этих параметров для колеблющихся в вертикальном направлении подрессоренных масс характеризуют вертикальную динамику локомотива.

Вертикальная динамика локомотива считается хорошей, если он имеет плавный ход во всем диапазоне скоростей, т. е. оказывает наименьшее динамическое воздействие на путь, обеспечивает минимальную утомляемость локомотивных бригад.

Горизонтальную динамику характеризуют силы, действующие на рельсы и экипаж в горизонтальной плоскости при прохождении кривых и прямых участков пути, а также поведение экипажа в рельсовой колее (виляние, поперечные броски кузова и т. д.).

 

Возникающие при колебаниях силы растут с увеличением скорости. Во избежание их чрезмерного роста, при котором создается угроза безопасности движения, следует снижать скорость тепловоза. Для установления допускаемой скорости движения в прямых и кривых участках пути необходимо иметь представление о действующих на колесные пары силах в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Причина возникновения вертикальных колебаний надрессорного строения обусловлена различными неровностями рельсового пути. При качении колеса по неровности, рессорное подвешивание как бы разделяет массы нижнего и верхнего строения экипажа. Инерционное же перемещение кузова вниз вызовет сжатие упругих элементов подвешивания и инерционная сила погаснет. Сжатые упругие элементы подвешивания после исчезновения дополнительных инерционных сил восстанавливаются за счет внутренних сил, упругости.

Критическая скорость и гашение колебаний. Катящиеся по рельсам колеса получают толчки и удары с частотой, зависящей главным образом от периодичности повторения рельсовых стыков. Эту частоту называют частотой вынужденных колебаний. Кузов же колеблется с частотой собственных свободных колебаний, которая зависит от статического прогиба рессорного подвешивания под нагрузкой. В случае совпадения частот вынужденных и собственных колебаний наступает явление резонанса, при котором резко возрастают амплитуды колебаний кузова, а значит и динамические силы. Скорость, при которой наступает резонанс, называют критической.

Рессорное подвешивание. Предназначено для уменьшения динамического воздействия колес на рельсы при движении по неровностям пути, распределения нагрузок по колесам и обеспечения плавности хода тепловоза. Рессорное подвешивание бывает сбалансированное и индивидуальное, одноступенчатое и двухступенчатое.

Нагрузка от массы кузова и тележки передается колесным парам через буксы, установленные на концы оси. Упругими элементами, посредством которых нагрузка передается на колесные пары, могут служить листовые рессоры, цилиндрические витые пружины, резиновые амортизаторы.

По способу передачи нагрузки на колесные пары рессорное подвешивание бывает индивидуальным или сбалансированным. Если упругие элементы размещены только между буксами и рамой тележек, такое подвешивание называют одноступенчатым. Если же, помимо буксовой ступени, упругие элементы имеются между рамами кузова и тележек, подвешивание называется двухступенчатым.

 

Для тепловоза 3М62 выберем сбалансированное рессорное подвешивание, так как необходимо выровнять вертикальные нагрузки по осям колесных пар.

Преимущество такого подвешивания заключается в том, что статические и динамические нагрузки равномерно распределяются между осями тепловоза. Недостатки: большое количество шарнирных соединений, подверженных интенсивному износу и требующих периодического добавления смазки; недостаточная чувствительность системы из-за значительного трения в шарнирах, в связи с чем непродолжительные динамические нагрузки не успевают перераспределиться между колесными парами; большая суммарная масса элементов рессорного подвешивания. Для снижения трения и износов в шарнирных соединениях рессорного подвешивания на тепловозах 2М62 с 1981 г. стали устанавливать ступенчатые шарнирные валики.

 

 

                                                   

 

 

Рисунок      - Сбалансированная схема рессорного подвешивания:

1,5 - тарелка; 2 - пружина; 3 - подвеска; 4 - балансир; 6 - предохранительная скоба; 7 - листовая рессора; 8 - серьга; 9 – букса.

 

 

Рессорное подвешивание тележки тепловоза 2М62 включает рессорные и концевые узлы, соединенные балансирами. Нагрузка от рамы тележки на буксу через концевой узел передается посредством пружины 7 (рис.), резинового амортизатора 8, расположенного между тарелкой 16 и подкладкой 19, подвески 18, соединенной валиком 17 с балансирами 1. Подвеска 18 изготовлялась раньше в виде стержня, соединенного с головкой резьбой. Из-за появления трещин в резьбовом соединении сборный вариант подвески заменен цельнокованым. Через рессорный узел нагрузка передается посредством резиновых амортизаторов 8, пружин 7 и рессоры 10, включенной последовательно пружинам с помощью двуплечего кронштейна 6 и валика 5. Пружины и резиновые амортизаторы фиксируются в раме тележек с помощью фиксаторов 9, выполненных заодно целое с тарелками 11 пружин. Рессора 10 опирается на валики 15 П-образных подвесок 2 через специальные опорные втулки 14, выступ которых входит в эллиптические отверстия в первом коренном листе рессоры. Подвески соединены валиками 13 с балансирами. Балансиры, нагруженные по обоим концам, передают нагрузку на буксу своей средней частью. Опираются балансиры на закаленные упоры, запрессованные в корпус буксы.

Рессорное подвешивание тележки тепловоза 2М62 состоит из двух самостоятельных групп сбалансированных листовых рессор и пружин. Каждая группа расположена по одну сторону тележки. В состав группы рессорного подвешивания входят два средних и два концевых рессорных комплекта, а также балансиры 1 и подвески 2. 18, связывающие эти комплекты в единую систему.

Средний комплект состоит из листовой рессоры 10 и двух цилиндрических пружин 7. Каждая пластина листовой рессоры имеет сферические выступ и впадину для фиксирования ее положения относительно другой пластины. Рессорные пластины в средней части скреплены хомутом 9, который обжимают в горячем состоянии. Пружины 7 и рессора 10 связаны в единый узел валиком 5, проходящим через отверстия в проушинах нижней опоры 6 и хомута 9. Чтобы предохранить проушины от износа, в них запрессованы стальные втулки 4. Для смазки трущихся поверхностей втулок 4 и валика 5 в валике просверлены центральное и радиальные отверстия. Опрессовка смазкой шарнирного соединения средних комплектов после их сборки, а также ее дозаправка в процессе эксплуатации производятся через масленку 12, ввернутую в торец валика

 

 

 

Рис.    . Рессорное подвешивание тележки  2М62

 

1 - балансир; 2, 18 - подвески; 3 - скоба предохранительная; 4 - втулка; 5, 13, 15, 17 - валики; 6 - кронштейн; 7 - пружина; 8 - амортизатор; 9 - хомут; 10 - рессора; 11 - тарелка; 12 - клапан смазки; 14 - опора рессоры; 16 - тарелка; 19 - прокладка; 20 - шплинт; 21 – гайка.

 

 

Шарнирные соединения состоят из валиков, вставленных в закаленные втулки которые запрессованы в отверстия подвесок, балансиров и опор рессор. Валик 5 полый, в него ввернут клапан 12, через который подводится масло к трущимся поверхностям по осевым и радиальным каналам.

Рама тележки опирается на верхние опоры 11 среднего комплекта через резиновые амортизаторы 8. Хвостовик опоры входит в отверстие нижнего листа междурамного крепления, фиксируя тем самым положение опоры и амортизатора относительно рамы тележки. Нагрузка от рамы через винтовые пружины 7, опору 6, валик 5 передается на хомут 9 рессоры 10. Концы рессоры соединены ступенчатыми валиками 15 с подвесками 2; в свою очередь подвески связаны посредством ступенчатых валиков 13 с балансирами 1, через которые нагрузка от рамы тележки передается на буксы.

В концевом комплекте нагрузка от рамы тележки па балансир 1 передастся через цилиндрическую винтовую пружину 7, тарелку 20 с подкладкой 19, между которыми установлен резиновый амортизатор 8, и подвеску 18, соединенную с балансиром ступенчатым валиком 17. Шарнирные соединения подвесок 2, 18 со ступенчатыми валиками 13, 15, 17 не требуют смазки при сборке и в процессе эксплуатации.

Для предотвращения падения рессор на железнодорожный путь в случае поломок элементов рессорного подвешивания установлены предохранительные скобы 3.

Назначение балансиров - выравнивать нагрузку между колесными парами при наезде на неровности пути при малых скоростях. При значительных скоростях динамические нагрузки, имеющие малый период действия, не успевают перераспределяться между колесами вследствие значительной инерции балансиров и рессор, замедляющих их угловые перемещения. Этому способствует значительное трение в листах рессоры и шарнирных соединениях.

Основными параметрами рессорного подвешивания являются жесткость и определяемый ею статический прогиб. Чем меньше жесткость и выше статический прогиб, тем меньше частота собственных вертикальных колебаний надрессорного строения. Для обеспечения удовлетворительных ходовых качеств тепловоза статический прогиб должен быть примерно численно равен по значению конструкционной скорости, а частота свободных колебаний надрессорного строения.

 

Жёсткость - отношение статистической нагрузки на элемент или группу упругих элементов к их статистическому прогибу т.е.

На рессорное подвешивание тележки действует статистическая нагрузка веса кузова с его оборудованием и обрессоренный вес тележки =619,415кН

Тогда жёсткость рессорного подвешивания тележки определится из выражения:

Тепловоз на рессорном подвешивании представляет собой колебательную систему с определённой частотой колебаний. Напомним, что в механике различают собственные и вынужденные колебания системы. Собственными колебаниями называются, колебания системы под (действием однократной внешней силы. Эти колебания постепенно затухают и тем быстрее, чем больше будет сопротивление в системе. Для увеличения сопротивления колебаниям в систему вводят гасители колебаний (гидравлические и фрикционные).

Вынужденные колебания - колебания, возникающие под действием периодически действующей силы. Для локомотива такой силой могут быть импульсы со стороны рельсового пути (например, от стыков) неровности пути.

Из теории колебаний, угловая частота собственных колебаний надрессорного строения тележки при вертикальных колебаниях (подпрыгивании) определяется по формуле:

 - жёсткость тележки, в размерности Н/м

- обрессоренная масса, действующая на одну тележку.

Ориентировочно

 

Тогда линейная частота будет равна:

Во время работы тепловоза, в процессе колебаний возникают динамические нагрузки на рессорное подвешивание и далее на колёсные пары, которые оцениваются коэффициентом динамики:

Статистический прогиб в этой формуле в мм.  

Определив коэффициент динамики, можно найти динамические нагрузки:

кН

При вынужденных вертикальных колебаниях, возникающих от периодического воздействия стыков рельсового пути, может выступать резонанс (когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний системы). Критическая скорость локомотива, при которой наступает это явление, определяется по формуле:

где L - длина рельса, м

Локомотивы проектируются так, чтобы v _{к pum} ≥ v _констр

При длине рельса L = 12,5 м v _{к pum} =3,6*12,5*1,902 = 85,59 км/ч,

При длине рельса L = 25 м v _{к pum} =3,6*25*1,902 = 171,18 км/ч.

Таким образом, наш локомотив с данной жесткостью рессорного подвешивания не может двигаться с конструкционной скоростью 100 км/ч по рельсовой колее с длинной рельса 12,5 м.