Рессорное подвешивание рамы тележки железнодорожного экипажа

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к системам виброзащиты железнодорожных экипажей, и может быть использовано для повышения динамических качеств электровозов. Рессорное подвешивание состоит из основного (1) и дополнительного упругих элементов. Основной упругий элемент состоит из двух пружин, установленных между кронштейнами буксы и боковой балкой рамы тележки, а дополнительный - из двух торсионов (4) и вертикального штока (8), снабженного упором, состоящим из двух планок - компенсирующей (5) и фрикционной (7). Торсионы, установленные на боковой балке рамы тележки, закрученные на максимальный угол и взаимодействующие посредством роликов (2) и фрикционных ползунов (6) с профилированными пластинами штока, закрепленного вертикально на буксе, формируют оптимальную силовую характеристику системы виброзащиты железнодорожного экипажа. Технический результат при использовании изобретения заключается в повышении эффективности защиты экипажа от динамических вибрационных воздействий, возникающих при его движении по неровностям пути, и повышении технологичности конструкции. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции рессорного подвешивания железнодорожных экипажей.

Известно рессорное подвешивание тележки (А.с. 1341087, М. Кл. В 61 F 5/12, опубликовано 15.11.1988, бюллетень 42), содержащее надрессорную балку, упругий элемент, состоящий из комплекта пружин, и фрикционные клинья, взаимодействующие с фрикционными планками, которые, в свою очередь, опираются на антифрикционные направляющие, расположенные между вертикальными стенками буксового проема. В этом проеме смонтированы упругие упоры, установленные с зазором по отношению к упомянутым фрикционным планкам. При малых прогибах рессорного подвешивания клинья, прижатые к фрикционной планке, перемещаются вместе с ней по игольчатым подшипникам, не создавая силы трения до того момента, пока фрикционная планка не упрется в упругий упор. Однако такое подвешивание обладает совокупностью недостатков, к главному из которых следует отнести его большую жесткость, что негативно сказывается на плавности хода вагона. В результате этого при движении вагона по неровностям рельсового пути экипаж совершает колебания в дорезонансной и резонансной зонах, что свидетельствует о неудовлетворительном качестве виброзащиты подвижного состава, т. е. колебания не только не снижаются, но и возрастают. Отсюда следует острая необходимость создания систем обрессоривания, эффективно защищающих экипаж от вибровоздействий, возникающих при его движении по неровностям пути.

Известны также рессорные подвески железнодорожных транспортных средств, содержащие в качестве основного упругого элемента либо листовую рессору (А. с. 331951, М. Кл. В 61 F 5/02, опубликовано 14.03.1977, бюллетень 10, А.с. SU 1351823 А1, М. Кл. В 61 F 5/24, опубликовано 15.11.1987 г., бюллетень 42), либо комплект пружин (А.с. 379418, М. Кл. В 60 G 17/00, опубликовано 20.04.1973, бюллетень 20) и дополнительный упругий элемент, выполненный в виде скрепленных по концам листовых рессор, между которыми установлены распорные стержни, жестко соединенные средней частью буксой колесной пары. Рассеяние энергии колебаний осуществляется за счет трения в шарнирных сочленениях подвески, а также дополнительно - путем межпроволочного и межстренгового трения в тросе (А.с. 1351823 А1).

Однако такие устройства также обладают значительными недостатками. Главный из них заключается в том, что дополнительные упругие элементы в таких системах обладают самым высоким уровнем сил сухого трения в узлах их сочленения именно в положении статического равновесия, а не на границах прогибов, чего требуют теория и практика виброзащиты. В результате этого, во-первых, снижается эффективность виброзащитных свойств системы обрессоривания и даже ее блокирование силами сухого трения при малых амплитудах возмущающего воздействия и, во-вторых, развивается интенсивный износ контактирующих поверхностей в узлах взаимодействия элементов системы. Кроме того, этим устройствам присущи значительная металлоемкость и конструктивная сложность, требующая значительного габаритного пространства.

Цель изобретения - повышение эффективности защиты экипажа от динамических вибрационных воздействий, возникающих при его движении по неровностям пути, и повышение технологичности конструкции. Это достигается тем, что основной упругий элемент выполнен в виде двух винтовых пружин, расположенных на кронштейнах буксы, а дополнительный упругий элемент, являющийся вторым каналом передачи возмущающего воздействия, выполнен в виде двух торсионов и упора, закрепленного на конце вертикального штока, соединенного другим концом с корпусом буксы. Этот упор выполнен в виде двух жестко скрепленных между собой вертикальных планок, причем профилированные боковые поверхности одной из них (компенсирующей) - выпуклые, а другой из них (фрикционной) - вогнутые. Упомянутые торсионы расположены вдоль боковой балки рамы тележки, причем одни их концы жестко скреплены с упомянутой балкой, а другие снабжены рычагами, несущими ролики и фрикционные ползуны. Ролики установлены в силовом контакте с выпуклыми боковыми поверхностями одной из планок профилированного упора, а фрикционные ползуны - с зазором по отношению к вогнутым профилированным поверхностям другой планки.

Решение проблемы повышения эффективности виброзащитных качеств рессорного подвешивания поясняется рисунками. На фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство, на фиг.2 - схема взаимодействия узлов предлагаемого устройства в положении статического равновесия, на фиг.3 - схема сил взаимодействия выпуклой планки упора и ролика торсиона при некотором прогибе основного упругого элемента, на фиг.4 - суммарная силовая характеристика системы обрессоривания.

Устройство работает следующим образом. В положении статического равновесия (фиг.2) сила тяжести надрессорного строения железнодорожного экипажа, приходящаяся на одну буксу, уравновешивается статической реакцией основного упругого элемента, состоящего из двух винтовых пружин сжатия 1. При этом ролики 2, смонтированные на рычагах 3 торсионов 4, установлены в силовом контакте с выпуклыми боковыми поверхностями компенсирующей планки 5, а торсионы закручены на максимальный угол, т.е. обладают максимальным запасом потенциальной энергии. Силы давления роликов 2 на боковые поверхности планки 5 при этом направлены горизонтально навстречу друг другу и взаимоуравновешиваются. Фрикционные ползуны 6, которые также смонтированы на упомянутых рычагах торсионов, установлены с зазором по отношению к вогнутым профилированным боковым поверхностям фрикционной планки 7 и силы трения не создают.

При наезде колеса на неровность железнодорожного пути основной упругий элемент 1, сжимаясь, формирует динамическую добавку силы упругости, приложенную снизу вверх к раме тележки. Одновременно с этим вертикальный шток 8, установленный на буксе, толкает упор, состоящий из планок 5 и 7, вверх, в результате чего ролики 2, перекатываясь по боковым поверхностям выпуклого упора 5, выходят из положения равновесия, что приводит к формированию дополнительным упругим элементом вертикальной компенсирующей силы (фиг.3), направленной навстречу динамической добавке силы основного упругого элемента и приложенной к боковой раме тележки, являющейся опорой торсионов. При дальнейшем увеличении прогиба основного упругого элемента и смещении упора относительно роликов и фрикционных ползунов 6 последние, контактируя с вогнутыми профилированными поверхностями фрикционной планки 7, формируют силы трения, ограничивающие амплитуду прогибов системы обрессоривания. При этом значения конструктивных параметров дополнительного упругого элемента (кривизна профилей боковых поверхностей обеих планок, диаметр торсионов и пр.) выбраны с учетом обеспечения оптимальной суммарной силовой характеристики, представленной на фиг.4. Так как суммарная динамическая жесткость системы обрессоривания рамы тележки в рассматриваемом случае является малой величиной, колебания экипажа будут иметь место в зарезонансной зоне. При этом необходимое значение силы трения, обеспечивающее рассеяние энергии колебаний защищаемого объекта на границах рабочих прогибов системы обрессоривания, будет также малой величиной, что способствует снижению износа сопрягаемых пар трения и, в результате, - повышению надежности системы обрессоривания.

Выбор значений конструктивных параметров дополнительного упругого элемента производится по следующей методике. Из теории и практики виброзащиты объектов известно, что для снижения уровня динамических сил, передаваемых со стороны рессорного подвешивания на защищаемый объект, необходимо стремиться к максимальному снижению жесткости упругого подвеса. Условие, что суммарная динамическая жесткость является малой величиной, сформулируем в среднеквадратичном приближении: где Q(х)=ж_бх - динамическая сила, создаваемая основным упругим элементом и действующая на раму тележки; Р(х) - компенсирующая сила, создаваемая дополнительным упругим элементом в пределах необходимого защитного хода D, определяемого максимальной величиной деформации основного упругого элемента.

Для выполнения этого условия необходимо выбрать такие значения конструктивных параметров торсионов и форму профиля выпуклых боковых поверхностей компенсирующей планки упора, которые обеспечивают формирование необходимой силовой характеристики, обладающей нечетной симметрией. Для общего случая примем, что форма подвижного узла описывается уравнением кривой второго порядка -a₁₁x²+a₂₂y²+2a₁x+2a₂y=0, (2) коэффициенты которой имеют следующую размерность: а₁₁, а₂₂-м², а₁, a₂-, м³.

Уравнение (2) при любых а₁₁, а₂₂, а₁, а₂ должно удовлетворять выполнению условий откуда следует а₁=0.

По мере перемещения подвижного узла от положения статического равновесия (фиг. 3) горизонтальная сила, создаваемая дополнительным упругим элементом, и равная ей по модулю реакция выпуклого упора определяются выражением P_Г(x) = 2ж_Д[Δ-y(x)], (4) где Δ - начальное горизонтальное отклонение ролика 2 от первоначального положения (положения ролика на рычаге торсиона в свободном недеформированном состоянии), определяемое углом закручивания торсиона и длиной его рычага;
ж_Д - жесткость дополнительного упругого элемента.

Находим касательную и нормальную составляющие горизонтальной реакции:
P_τ = P_Гsinϕ, (5)
P_n = P_Гcosϕ. (6)
Проецируем P_τ на ось Оx, пренебрегая моментом трения качения в роликах:
P_B(x) = P_τ(x)cosϕ (7)
Подставляя выражение P_τ из (5) в (7) и осуществляя необходимые преобразования, получаем вертикальную компенсирующую силу, действующую на раму тележки

Учитывая, что

и согласно фиг. 3

получаем с учетом связи между dx и dy, которая без труда выводится из уравнения (2), что силовая характеристика, формируемая дополнительным упругим элементом, имеет вид:

Варьирование значениями параметров, входящих в эту формулу (11), дает возможность получить такую характеристику, которая удовлетворит условию (1) на необходимом защитном ходе.

Создавая дополнительный упругий элемент, необходимо обеспечить его соответствие требованиям габаритных и прочностных ограничений, накладываемых на значения его конструктивных параметров. Для торсиона эти параметры будут:

здесь l_T и d_T - соответственно длина и диаметр рабочей части вала торсиона;
h - длина рычага торсиона.

Условие прочности торсионного вала на кручение:

где М_кр - максимальный крутящий момент в сечении торсионного вала;
[τ] - допускаемое касательное напряжение с учетом коэффициента запаса.

Крутящий момент, в свою очередь, равен
M_кр=Р_Гmaxh, (14)
здесь P_Гmax = ж_кΔ - максимальная горизонтальная сила дополнительного упругого элемента.

Условия (12)-(14) позволяют определить необходимый максимальный угол закручивания торсиона:

где I_ρ - полярный момент инерции поперечного сечения вала торсиона;
G - модуль сдвига материала.

Начальное горизонтальное отклонение ролика 2 от первоначального положения, определяемое длиной рычага торсиона и углом ϕ, будет:
Δ = hϕ. (16)
Приведенные выше габаритные и прочностные ограничения учитываются введением соответствующих функций штрафа Φ_i. Так как штрафные функции безразмерные, то функцию цели (1) необходимо нормировать, после чего она имеет вид

Определение ее оптимума может быть найдено на ПЭВМ различными методами, например методом наискорейшего спуска. Исходной информацией для расчетов служили жесткость основного упругого элемента ж_б и желаемая величина защитного хода D. За границами защитного хода влияние сухого трения и профиля вогнутой боковой поверхности фрикционной планки упора на формирование суммарной силовой характеристики определяется на основе известного метода статистической линеаризации нелинейности силы сухого трения.

Изложенная методика дает возможность определить значения параметров дополнительного упругого элемента и рессорного подвешивания для различных типов железнодорожных экипажей.

Так как колесная пара экипажа вследствие наличия конусности бандажей совершает извилистое движение, то в конструкцию рессорного подвешивания для снижения сил взаимодействия колеса и рельса необходимо вводить устройство, обеспечивающее упругую связь рамы тележки с буксой в поперечном горизонтальном направлении. Эту функцию и выполняют одноименные торсионы (левые или правые), расположенные на боковых балках рамы тележки экипажа, при смещении колесной пары относительно оси пути в соответствующую сторону (левую или правую).

Формула изобретения

1. Рессорное подвешивание рамы тележки железнодорожного экипажа, содержащее основной упругий элемент, выполненный в виде винтовых пружин сжатия, которые установлены между кронштейнами буксы и боковой балкой рамы тележки, и дополнительный упругий элемент, отличающееся тем, что дополнительный упругий элемент выполнен в виде двух торсионов, установленных на боковой балке рамы тележки, ориентированных вдоль нее и закрученных на максимальный угол, одни концы которых жестко скреплены с боковой балкой, а другие снабжены рычагами, и вертикального штока, один конец которого скреплен с буксой, а другой снабжен упором, состоящим из двух скрепленных между собой компенсирующей и фрикционной планок, причем компенсирующая планка упора имеет выпуклые боковые профилированные поверхности, установленные в силовом контакте с роликами, смонтированными на рычагах торсионов, а фрикционная планка упора имеет вогнутые профилированные поверхности, установленные с зазором по отношению к фрикционным ползунам, закрепленным на рычагах торсионов.

2. Рессорное подвешивание рамы тележки по п.1, отличающееся тем, что вертикальный шток установлен с зазором относительно боковой рамы тележки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4