Каспакбаев Кабдил Султанович – д.т.н., профессор ГУТиП (Алматы) Сериккулова Айдан Турехановна – к.т.н., доцент ГУТиП (Алматы)

РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ТЕЛЕЖЕЧНЫХ ЛОКОМОТИВОВ

Конструкция тележек в значительной степени определяет передачу и реализацию силы тяги, плавность хода и взаимодействие экипажной части и пути, безопасность движения и динамические характеристики локомотива. Тележки являются ходовой частью локомотива, непосредственно

взаимодействующей с рельсовым путем. Они воспринимают подрессорные массы локомотива, тяговые и тормозные силы, а также горизонтальные поперечные усилия при движении в прямых и кривых участках пути. Взаимодействуя через колесные пары с рельсами, тележки передают кузову динамические нагрузки, вызываемые неровностями пути. В свою очередь кузов локомотива передает эти силы через тележки на путь. Поэтому от конструкции тележек во многом зависят плавность хода и другие динамические качества локомотива.

Для смягчения ударов и уменьшения амплитуды колебаний на локомотиве при прохождении по неровностям пути между тележкой локомотива и колесной парой размещают систему упругих элементов и гасителей колебаний называемую рессорным подвешиванием. В качестве упругих элементов, как правило, применяют винтовые пружины, листовые рессоры, резинометаллические элементы и пневматические рессоры.

Ходовые качества подвижного состава в большей степени определяются системой рессорного подвешивания экипажной части. Конструкция рессорного подвешивания оказывает большое влияние на динамическую составляющую нагрузки от колесной пары на рельсы и, следовательно, на напряжение в рельсах. Оно предназначено для равномерного распределения нагрузки между колесными парами, смягчения ударов, передаваемых на надрессорное строение при прохождении неровностей пути. Особенно велика роль рессорного подвешивания в смягчении ударов при прохождении стыков и из-за дефектов колес и пути. С системой рессорного подвешивания тесно связаны напряжения в рельсах от вертикального давления колес, которое складывается из статической осевой нагрузки и накладываемых на него динамических колебаний этой нагрузки при движении. Чем жестче подрессоривание осей, тем больше становятся динамические колебания давления колес на рельсы.

Ужесточение характеристик пути, в первую очередь модуля упругости рельсового основания при применении рельсов тяжелых типов, железобетонных шпал на щебеночном основании, рост сцепного веса локомотивов и другие факторы ведут к увеличению уровня сил динамического взаимодействия локомотива и пути.

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; // — поводок буксы; 12 — поводковая букса; 13 — фрикционный гаситель колебаний.

Рисунок 1. Тележка локомотива

По способу передачи нагрузки на колесные пары рессорное подвешивание бывает индивидуальным или сбалансированным.

При размещении упругих элементов только между буксами и рамой тележки подвешивание называется одноступенчатым. Если же, помимо буксовой ступени, упругие элементы имеются между ремами кузова и тележек, подвешивание называется двухступенчатым.

Основными параметрами рессорного подвешивания являютсяжесткость и определяемый ею статический прогиб. Чем меньше жесткость и выше статический прогиб, тем меньше частота собственных вертикальных колебаний надрессорного строения.

Общий статический прогиб для пассажирских локомотивов в зависимости от скорости движения должен быть 160-200 мм, для грузовых 140 мм.

Статический прогиб должен быть численно равен по значению конструкционной скорости, а частота свободных колебаний надрессорного строения исходя из обеспечения нормальных условий для локомотивной бригады – 1,8-2,2 гц. Для оценки эффективности рессорного подвешивания локомотива достаточно заметить, что они снимают ускорение и частоту колебаний подрессорных масс по сравнению с неподрессорными в 10-15 раз.

Двухступенчатое рессорное подвешивание позволяет получить большой статический прогиб при удобном размещении упругих элементов и возвращающих устройств.

Кузов локомотива опирается на оси колесных пар через буксы. Букса содержит подшипники качения и по своей конструкции может быть как челюстной, когда она свободно вставлена в специальный вырез в раме тележки, так и бесчелюстной, когда связь между тележкой и буксой обеспечивают специальные поводки с шарнирами.

Рисунок 2. Челюстная букса с сбалансированным рессорным подвешиванием

Рисунок 3. Челюстная букса тепловоза ТЭ-33А

Рисунок 4. Конструкции поводков в буксовой ступени подвешивания

Вместо сбалансированного рессорного подвешивания на современных тележках применено индивидуальное для каждой оси подвешивания, состоящее из одних винтовых пружин. Такая система подвешивания максимально упростила конструкцию тележки и уменьшила эксплуатационные расходы на ее обслуживание и ремонт, так как в ней исключены все шарнирные соединения. В винтовых пружинах отсутствует внутреннее трение. Поэтому для избегания резонансных явлений в тележках применены фрикционные гасители колебаний сухого трения, которые способны одновременно гасить все три вида колебаний: подпрыгивание, галопирование и поперечную качку.

Существующая, в настоящий момент, тенденция к значительному повышению скоростей движения требует, прежде всего, улучшения ходовых свойств и динамических характеристик локомотивов.

Проблема улучшения ходовых качеств локомотивов в условиях повышения скорости движения поездов вынуждает прибегать к применению элементов в подвешивании тележек с более совершенными свойствами.

Одним из перспективных вариантов рессорного подвешивания железнодорожных экипажей является пневмоподвешивание.

Преимущества пневматических рессор – возможность сравнительно простыми средствами увеличить статический прогиб, а также возможность обеспечить демпфирование колебаний. Помимо этого, имеется возможность создания такого автоматического регулирования количества воздуха в элементе, при котором статический прогиб подвешивания не зависит от нагрузки, а жесткость изменяется в широком диапазоне. Кроме этого, исключается металлический контакт между ходовыми частями и кузовом, поэтому вибрации и шум от взаимодействия с рельсовым путем на кузов не передаются.

Рисунок 5. Расположение пневматических рессор в буксовой ступени подвешивания.

Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения поездов по рельсовому пути.

Одним из способов улучшения показателей вписывания железнодорожных экипажей в кривые, снижения угла набегания, работы сил трения, а, следовательно, и массового износа колес и рельсов является применение механизмов радиальной установки колесных пар.

Существует два основных мероприятия по снижению износа гребней колес: уменьшение коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса (гребне- и рельсосмазывание) и уменьшение угла набегания направляющих колесных пар на наружный рельс за счет пассивного или активного их поворота в раме тележки (радиальная установка колесной пары).

Фирмами «General Motors» и «General Electric» запатентованы и построены два типа трехосных тележек с пассивными механизмами радиальной установки колесных пар (РУКП), которые применены на указанных тепловозах.

В России первая опытная конструкция трехосной тележки с механизмом РУКП была разработана и испытана Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом (ВНИКТИ) еще в 80-х гг. прошлого века. В начале 90-х гг. тепловоз 2ТЭ10В с модернизированной конструкцией бесчелюстной тележки и механизмом РУКП конструкции ВНИКТИ проходил эксплуатационные испытания. Испытания показали, что принцип пассивной радиальной установки колесных пар позволяет существенно снизить износ гребней колес тепловоза с трехосными тележками.

Оригинальные конструкции трехосных тележек на уровне патентов были разработаны на Брянском машиностроительном заводе.

Во ВНИКТИ разработана конструкция унифицированной трехосной тележки с механизмом РУКП для грузовых и маневровых тепловозов (рис. 6).

Рисунок 6. Конструкция унифицированной трехосной тележки.

Эта тележка применена на новом российском грузовом тепловозе с передачей переменного тока, построенном на Брянском машиностроительном заводе.

Тележка имеет двухступенчатое рессорное подвешивание: в первой

ступени – индивидуальное пружинное, во второй – пружины типа «флексикоил» и четыре гидравлических гасителя вертикальных колебаний. Для гашения колебаний поперечного относа кузова на каждой тележке установлено по два гидравлических гасителя. Буксы – одноповодковые. Поводки 1, 7 крайних букс соединены с поперечными балансирами 2, 6 механизма РУКП. К концам балансиров шарнирно присоединены тяги 3, 5, которые другими концами связаны с вертикальным двуплечим рычагом 4. К удлиненному верхнему концу рычага присоединен гидравлический гаситель колебаний 8 механизма РУКП. Сила тяги от рамы тележки к кузову передается через низкоопушенный шкворень.

В теоретических исследованиях динамики движения тепловоза 2ТЭ25К «Пересвет», выполненных в БГТУ методом компьютерного моделирования [1], были рассмотрены два варианта тележки с механизмом РУКП: конструкции ВНИКТИ и БМЗ. Для этих экипажей были выбраны рациональное упругодиссипативные параметры тележек. Тепловоз 2ТЭ25К на новых тележках не уступает тепловозу 2ТЭ116 по динамическим качествам в прямых участках, а по показателям износа в кривых радиусами 300 и 600 м значительно его превосходит. Однако из-за очень сжатых сроков изготовления тепловоз 2ТЭ25К был построен с тележками типа 2ТЭ116.

На уменьшение износа гребней колесных пар локомотивов влияет применение гребне смазывателей и лубрикация, наличие механизма радиальной установки колесной пары, база тележки и база кузова локомотива, наличие упругих связей кузова и тележки, переход с трехосной на двухосную тележку, радиус кривой, возвращение наружного рельса.

Теоретические исследования и компьютерное моделирование желательно подтвердить натурными динамическими испытаниями с углом воздействия на путь при движении в прямых и кривых участках пути различного радиуса.

Литература

1. М.Ф.Вериго, А.Я.Коган. Взаимодействие пути и подвижного состава. Транспорт, 1986, 559 с.

2. Механическая часть тягового подвижного состава. (под редакцией И.В.Бирюкова), М., Транспорт, 1992, 440 с.

3. Г.С.Михальченко, А.С.Юршин. Оценка износа колес грузового тепловоза с радиальной установкой коленных пар. Вестник БГТУ, 2007, №2(14), с. 39-43.