Тема. Рессорное подвешивание ТЭМ2 и 2М62,ЧМЭ3.

Взаимодействие экипажа и пути

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. У тепловозов ТЭП70 с опорно-рамным подвешиванием двигателя (двигатель закреплен на раме тележки и значит подрессорен) неподрессоренная масса составляет 2,5-2,7 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.

Подпрыгивание (перемещение вверх и вниз) совершается под действием периодически изменяющихся вертикальных сил (рис.50, а), вызывающих колебательное движение надрессорного строения относительно колесных пар.

Галопирование (колебание надрессорного строения вокруг поперечной оси у, проходящей через центр тяжести тепловоза) вызывается (рис.50, б) неодинаковым прогибом рессорного подвешивания передней и задней тележек.

Поперечная (боковая) качка (колебания экипажа вокруг продольной оси экипажа (рис. 50, в) возникает вследствие разного по знаку прогиба рессорного подвешивания на одной и другой сторонах тепловоза.

Виляние(поперечное перемещение и одновременно вращательное движение относительно вертикальной оси тепловоза в зазорах между колесами и рельсами) возникает вследствие извилистого движения колесной пары, вызываемого коничностью бандажей, и попеременного воздействия упругих сил со стороны рельсов на колеса каждой колесной пары.

Боковой относ (смещение экипажа в поперечном направлении) вызывается действием центробежных сил (иногда и сильного ветра).

Рис.50. Основные виды колебаний локомотива:

а - подпрыгивание; б - галопирование; в - поперечная качка

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.

Силы, возникающие при вертикальных колебаниях экипажа. 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.

Коэффициентом использования сцепного веса называют.Отношение минимальной нагрузки от колесной пары на рельсы к расчетной нагрузке, которую находят из условия равномерного распределения массы локомотива между всеми колесными парами тепловоза. Для тепловозов со смешанным расположением тяговых двигателей и с поднятыми до уровня рамы шкворнями коэффициент использования сцепного веса равен 0,8. У тепловозов 2ТЭ116 тяговые двигатели в тележке расположены друг за другом (гуськом) моторно-осевыми подшипниками в одну сторону. При этом усилия на зубья зубчатых колес у всех трех колесных пар тележек направлены в одну сторону. Это дало возможность повысить у этих тепловозов расчетный коэффициент использования сцепного веса на 10—12 °/о, хотя фактически меньше (9— 8°/о). Чтобы полнее использовать сцепной вес локомотива, современные локомотивы (ТЭП70, ТЭМ7) выполняют с низкоопущенными шкворнями, точки передачи тяговых усилий у которых располагаются на уровне осей колесных пар (рис.51). При такой конструкции шкворней у локомотива снижается момент, приводящий к разгрузке передней тележки и перегрузке задней.

Движение по кривым. Известно, что при входе в кривую и движении по ней на локомотив действует центробежная сила, вызываемая изменением направления вектора скорости. Эта сила зависит от массы локомотива, скорости и радиуса кривой.

У тележечного экипажа, имеющего значительную длину, проходимость в кривой обеспечивается благодаря повороту тележек относительно оси кузова на некоторый угол. В рельсовой колее тележка направляется гребнями колесных пар. Расположение тележек в кривой без заклинивания оказывается возможным благодаря зазору между рельсами и гребнями бандажей колесных пар. Несмотря на эти мероприятия вход локомотива в кривые и движение по ним сопряжены с большими усилиями, передаваемыми колесными парами на рельсы. Превышение этих усилий создает угрозу безопасности движения.

Рис.51. Схема передачи тягового усилия от рамы тележки к раме тепловоза с помощью низкоопущенного шкворня: 3F-усилие от трех колесных пар.

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.

Сбалансированное подвешивание применяется на тепловозах ТЭМ2 и др. (рис. 52, а). При этом подвешивании каждая тележка имеет по две самостоятельные сбалансированные

При индивидуальном подвешивании (рис.52, б) каждая колесная пара имеет независимые комплекты подвешивания с каждой стороны тележки.

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.

б

Рис.52. Схемы рессорного подвешивания: а - сбалансированного; б - индивидуального; 1,5 - тарелка; 2 - пружина; 3 - подвеска; 4 - балансир; 6 - предохранительная скоба; 7 - листовая рессора; 8 - серьга; 9 - букса; 10 - подвеска; 11 - поводок буксы; 12 - поводковая букса; 13 - фрикционный гаситель колебаний.

При наличии двух ступеней подвешивания прогибы между буксовой и кузовной ступенями распределяются либо поровну, либо большее значение закладывается в кузовной ступени (около 2/3 общего прогиба). В буксовой ступени получить большой прогиб труднее, так как увеличение прогиба связано с ухудшением условий работы передаточного механизма тягового привода. Распределение прогибов между буксовой и кузовной ступенями влияет на частоты собственных колебаний тележки и кузова. При двухступенчатом подвешивании имеют место две частоты вертикальных колебаний: низшая частота, соответствующая синфазным, т. е. не отличающимся по фазе колебаниям кузова и тележки, и высшая, соответствующая противофазным направленным навстречу друг другу колебаниям кузова и тележки. Низшая частота колебаний кузова определяется суммарным статическим прогибом и для современных тепловозов равна 1,5—1,7 Гц; высшая примерно равняется четырем значениям низшей, т. е. 6—7 Гц. Выявлено, что на человеческий организм оказывают нежелательное воздействие три интервала частот колебаний: менее 1 Гц, вызывающие явление укачивания; 4— 8 Гц, при которых возникают резонансные явления в области головного мозга, приводящие к быстрой утомляемости; 16—32 Гц — вибрации высокой частоты, возникающие, например, при работе дизеля и неблагоприятно влияющие на организм человека. Таким образом, колебания кузова с высшей частотой как раз будут находиться в нежелательной зоне частот, однако амплитуда этих колебаний кузова мала и они быстро затухают.

Двухступенчатое рессорное подвешивание позволяет получить большой статический прогиб при удобном размещении упругих элементов и возвращающих устройств. При этом в буксовой ступени можно иметь незначительный прогиб для уменьшения взаимных перемещений элементов тягового привода, что улучшает его работу.

Во избежание резонансных явлений колебания надрессорного строения вынуждены гасить, для чего в рессорном подвешивании предусмотрены специальные устройства — демпферы. Демпферы создают силу трения, затормаживающую колебательный процесс. При наличии в подвешивании листовых рессор демпфером является сама рессора. Возникающее между листами рессоры трение при их взаимных перемещениях способствует гашению колебаний. На тепловозах применяются другие устройства, создающие силу трения — фрикционные и гидравлические демпферы.

Потеря энергии на трение в листах рессоры или демпферах приводит к увеличению жесткости подвешивания в процессе колебаний. Фактическая (динамическая) жесткость зависит от коэффициента относительного трения.

Рессорное подвешивание тележки тепловоза: ТЭМ2, М62 включает рессорные и концевые узлы, соединенные балансирами. Нагрузка от рамы тележки на буксу через концевой узел передается посредством пружины 7 (рис.53), 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.

Рис. 53. Рессорное подвешивание тележки: ТЭМ2, М62

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.

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.

Резиновые амортизаторы. Получили широкое распространение в экипажной части современных локомотивов, так как резина является незаменимым материалом для гашения высокочастотных вибраций и шума. Выполняются в виде круглых сплошных или кольцевых пластин с привулканизированными или приклеенными металлическими прокладками, либо в виде прямоугольных пластин.

Рессорное подвешивание тепловоза ЧМЭ3.Состоит из двух комплектов цилиндрических рессор (пружин) и двух гидравлических гасителей колебаний (демпферов) 1 (рис.54.)

На каждый подшипник буксового узла опирается неравноплечий качающийся балансир, расточенная средняя часть которого служит корпусом буксы. На коротком плече балансира имеется тарелка, на которую опираются две цилиндрические пружины внутренняя 3 и наружная 4. В верхней части пружины 3 и 4 через тарелку 5, упру­гую шайбу 6 и шайбу 7 опираются на раму тележки. На конце коротко­го плеча балансира имеется вилка с проушинами, в кото­рых закреплен нижний конец гидравлического гасителя ко­лебаний 1. Верхний конец га­сителя закреплен в кронштей­не, приваренном к раме те­лежки. В проушинах гаситель закреплен при помощи вали­ков 8 и 12 через упругие элементы.

Длинное плечо балансира имеет отверстие в которое запрессована резино-металическая втулка 6, состоящая из двух стальных втулок внутренней и наружной и уста­новленной между ними резиновой втулки. Внутренняя стальная втулка, имеет шпо­ночную канавку а наружная выполнена разъемной по образующей цилиндра. В резинометаллическую втулку 6 вставлен валик 4 со шпонкой 8. Валик 4 своими концами входит в отверстия фартуков ра­мы 5 тележки и закреплен к последней по­средством болтов 7, стопорящихся шайба­ми.

Удары и толчки ко­лесных пар, возникающие от неровностей пути, передаются на раму тележки через качающийся балансир посредством упру­гой резинометаллической втулки 6 и ком­плекта цилиндрических пружин. Гасители колебаний в свою очередь вместе с ци­линдрическими рессорами осуществляют демпфирование вертикальных колебаний, вызванных действием на экипаж локомо­тива неровностями пути.

Рис.54. Рессорное подвешивание тепловоза ЧМЭЗ:

1 - гидравлический гаситель колебаний; 2. 10 - болты; 3 - пружина внутренняя; 4 - пру­жина наружная; 5 - тарелка; 6 - упругая шайба; 7 - шайба; 8, 12 - валики; 9 - планка стопорная; 11 - шплинт.