Система опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства

Система опор кузова на тележку выполнена в виде установленных на раме (1) тележки по середине ее боковых частей двух комплектов упругих элементов (2), объединенных сверху жесткой промежуточной конструкцией (3), на которую шарнирно опираются жесткие сжатые качающиеся стержни (5). Промежуточная конструкция соединена с рамой тележки связью, жесткой в горизонтальном поперечном направлении и не ограничивающей вертикальных перемещений промежуточной конструкции относительно рамы тележки при вертикальных деформациях упругих элементов. Уменьшаются силовые воздействия при повороте кузова относительно тележки, улучшается эксплуатация опор кузова. 15 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается устройства системы упругих опор кузова на тележку транспортного средства тележечного типа с двумя и более тележками под одним жестким кузовом.

Из опыта конструирования и эксплуатации вертикально упругих опор кузова не рамного типа тележки транспортных средств известно: наиболее рациональная система - с размещением опор на боковинах рамы тележки приблизительно в середине продольной базы тележки. В частности, при двухосных симметричных тележках равнодействующие вертикальных сил в каждой из таких боковых опор должны лежать в поперечной плоскости симметрии тележки, проходящей через середину базы.

Для наименьшего квазистатического горизонтального поперечного воздействия на путь при движении в кривых система опор должна, как непременное условие, допускать возможность свободного (т.е. без возникновения постоянно действующего противоповоротного момента) углового перемещения в плане тележки относительно кузова. Для промежуточных тележек симметричных многотележечных экипажей с 3 и 4 тележками под одним жестким кузовом указанное условие дополняется требованием свободного горизонтального поперечного (при 3 тележках) или комбинированного (продольного+поперечного при 4 тележках) перемещения.

Этим требованиям применительно к экипажу локомотивов отвечают схемы опор кузова на тележку двух основных типов:

а) флексикойл с компенсацией звеном скольжения перемещений статического сдвига, превышающих наибольшие горизонтальные динамические при движении на прямой (патенты РФ № 2019457, кл. В61F 5/14; РФ № 2134207, кл. В61F 5/14);

б) сжатые качающиеся составные стержни телескопического конструктивного исполнения с жесткими сферическими шарнирами на концах и упруго изменяемой длиной (см., например: Магистральные электровозы (Общие характеристики. Механическая часть). М., Машиностроение, 1991. Стр.80-81).

Крупное достоинство опор первого типа - компактность. Главный недостаток - возникновение противоповоротного момента (в динамике - импульсного) при изменении углового в плане положения тележки относительна кузова, превышающем максимальный относительный угол колебаний виляния в системе "тележка-кузов". Как показывают расчеты, работа трения в направляющем контакте "колесо-рельс" при этом весьма невелика. Однако она есть, и это, конечно, недостаток. Недостаточное совершенство здесь и в том, что корректирующее звено скольжения требует - пусть минимальной - заботы в эксплуатации.

Указанных недостатков не имеют опоры второго типа (прототип).

При наклоне стержней на каждом из них возникает поперечная сдвигающая сила

направленная в сторону относительного перемещения e опорных точек стержня, и в реальных конструкциях практически пропорциональная величина ж_г, которую можно условно считать приведенной отрицательной жесткостью опоры на сдвиг:

где Р - вертикальная нагрузка на опору;

S - длина стержня по опорным точкам.

В результате при повороте, в частности, тележки относительно кузова возникает не противоповоротный постоянно действующий момент (как в некомпенсированной системе флексикойл или при люлечном подвешивании кузова непосредственно на раме тележки - см., например: Магистральные электровозы ... Стр.79-80), а также постоянно действующий, но совпадающий по знаку с направлением поворота, т.е. способствующий уменьшению направляющих сил колеи передних тележек, наиболее тяжело нагруженных динамическими силами направления экипажей.

Функция (I) - непрерывная гладкая. Во всей рациональной области ее определения (для статического - по условию свободного геометрического размещения экипажа в колее на кривых - и квазистатического сдвига e/S0,15-0,2; для постоянно действующих динамических перемещений e/S0,05-0,06) изменение горизонтальных сил, передаваемых через опору между тележкой и кузовом, монотонное. Никаких дополнительных сил (в частности, импульсных сил скольжения, как в опорах первого типа) здесь не возникает. Это также существенное преимущество при сравнении с опорами первого типа.

Наконец, при движении на кривых экипажей типа 2-2-2 со свободным горизонтальным поперечным перемещением средней тележки относительно кузова в режимах с некомпенсированными горизонтальными поперечными центробежными силами - отрицательная поперечная связь средней тележки с кузовом передает указанную часть его центробежной силы на эту ненаправляющую тележку. Тем самым могут быть существенно уменьшены соответствующие силы, действующие на крайние, направляющие экипаж тележки, тяжело нагруженные еще и динамическими горизонтальными поперечными силами, направляющими движение кузова.

Важнейшее достоинство опор второго типа - их "естественная" универсальность, определяемая одинаковыми для любого направления и зависящими только от длины стержня ограничениями горизонтальных поперечных перемещений опорных точек кузова относительно тележек. Такие опоры можно ставить на любой тележке экипажа с любым их количеством под одним жестким кузовом и вне зависимости от места тележки там.

Но опоры второго типа имеют и очень важный недостаток. Это подвижное телескопическое соединение верхней и нижней частей стержня, где возникает аксиальное скольжение как при статической деформации пружин, установленных враспор на стержне, вследствие изменения вертикальной статической нагрузки на опору при тяге, так и, главнее, при всех вертикальных колебаниях кузова относительно тележки, что характерно и для массово применяемых опор люлечного типа (см. выше). Действующие при этом в парах трения поперечные силы обусловлены рядом причин (несовершенство геометрии жестких деталей узла и пространственного распределения реологических свойств пружин, эксцентриситет продольных сил в опорных точках качающихся стержней при их наклоне и др.) трудна определимы и при совокупности причин могут быть большими.

Организовать надежную смазку здесь затруднительно. Поэтому обусловленный указанными перемещениями износ телескопической пары устранить или хотя бы существенно уменьшить не удается, несмотря на изготовление их деталей из износостойкой стали 110Г13Л, что требует сравнительно частой замены втулок в этом соединении. Технология их изготовления сложна, для монтажно-демонтажных работ необходимы специальные устройства.

Все это приводит к существенным затратам в эксплуатации на поддержание работоспособности данного узла, в остальном (в частности, по концевым шарнирам) работающего безупречно.

Задача изобретения - создание универсальной системы вертикально упругих опор кузова на тележку транспортного средства, пригодной для установки без переделок на любой из одинаковых тележке экипажа с любым (в частности, с 2, 3 или 4) их количествам под одним жестким кузовом,

- обеспечивающей возможность практически несилового поворота в плане кузова относительно тележки

- и не требующей ухода в эксплуатации.

Решение указанной задачи достигается тем, что предложена система опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, состоящая из двух одинаковых опор, размещенных каждая на боковых частях рамы тележки в середине ее продольной базы. Каждая опора содержит по крайней мере один, номинально вертикально установленный сжатый качающийся стержень с жесткими сферическими шарнирами на концах. Верхние шарниры указанных стержней, установленные на кузове, снабжены регулировочными элементами, в качестве которых обычно используются винтовые соединения и прокладки; с их помощью регулируется распределение вертикальных нагрузок по опорам, а также положение (главным образом, поперечный наклон) кузова относительно тележек. Каждая опора содержит также упругие элементы.

Существенная новизна предложенной системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, отличающая ее от аналогичных известных технических решений и обеспечивающая достижение цели изобретения, состоит в том, что она выполнена в виде установленных на раме тележки в указанных выше местах двух комплектов упругих элементов с объединением их верхних концов жесткий промежуточной конструкцией, на которую шарнирно опираются жесткие сжатые качающиеся стержни. При этом промежуточная конструкция соединена с рамой тележки связью, жесткой в горизонтальном поперечном направлении и не ограничивающей вертикальных перемещений промежуточной конструкции относительно рамы тележки при вертикальных деформациях упругих элементов.

Благодаря перечисленным главным отличительным особенностям предлагаемой системы опор она может рассматриваться, как состоящая из двух подсистем:

а) нижней - состоящей из установленных на раме тележки комплектов упругих элементов, верхние концы которых объединены жесткой промежуточной конструкцией, чем обеспечивается их устойчивость и упругость вертикальной связи кузова с тележкой;

б) верхней - состоящей из группы жестких сжатых качающихся стержней, воспринимающих вертикальные нагрузки от кузова и опирающихся на указанную промежуточную конструкцию, чем обеспечивается возможность практически свободного (в рамках ограничений по кинематике качающихся стержней) горизонтального перемещения опорных точек кузова относительно опорных точек на тележке в любом направлении и, как следствие, универсальность применения предлагаемой системы опор в экипаже с любым количеством тележек под одним жестком кузовом.

Последовательное (по направлению главного - вертикального - силового потока) сопряжение двух указанных конструктивно независимых групп-подсистем обусловливает их независимое действие. Этим исключаются из системы абразивно изнашиваемые узлы, т.е. решается последняя частная задача изобретения: предлагаемая система опор ухода в эксплуатации и ремонта с заменой трущихся деталей не требует.

Принятая в данной разработке главная структурная особенность предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства - введение опирающейся на упругие элементы жесткой промежуточной конструкции с функцией упруго установленного основания-платформы для опирания подсистемы качающихся стержней - допускает, как общая концепция, ряд частных конструктивных исполнений.

Например, промежуточная конструкция может быть выполнена в виде горизонтально расположенной прямоугольной промежуточной рамы. Это позволяет соединить ее с рамой тележки в горизонтальном поперечном направлении одной горизонтальной поперечной тягой со сферическими шарнирами на концах, размещенной в поперечной плоскости симметрии конструктивных узлов опор.

Промежуточная конструкция может быть также соединена с рамой тележки в горизонтальном поперечном направлении двумя имеющими сферические шарниры на концах горизонтальными тягами, размещенными в поперечных плоскостях вне промежуточной конструкции. В этом случае промежуточная конструкция может быть соединена с рамой тележки по схеме параллелограмма (с размещением тележечных шарниров этой схемы на одной боковой стороне рамы тележки) или антипараллелограмма (с размещением тележечных шарниров на разных сторонах рамы тележки).

Существенно, что при всех перечисленных кинематических схемах благодаря ограниченности перемещений шарниры тяг могут быть выполнены беззазорными с применением в них упругих элементов. Аналогичная поводковая конструкция давно и широко применяется в системе продольных связей надрессорной балки тележки типа КВЗ-ЦНИИ пассажирских вагонов (Скиба И.Ф. Вагоны. М., Транспорт, 1973, стр.112-113, рис.102; стр.118-119, рис.109). Эта тележка успешно эксплуатируется в течение десятилетий и признана типовой (см., например: Вагоны (конструкция, теория и расчет. Под ред. докт. техн. наук проф. Л.А.Шадура. М., Транспорт, 1973, стр.190). Ее указанные поводковые связи работают надежно.

Конструктивное выполнение жестких шарниров качающихся стержней в виде пары полусферических поверхностей близких диаметров, принятое в данной разработке, как в прототипе, обусловливает их взаимное перекатывание в кинематике практически без трения при сравнительно невысоких контактных напряжениях.

Такое исполнение шарниров в предлагаемой системе опор определяет ее общую характеристику, как не имеющую изнашиваемых узлов и поэтому не требующую ухода в эксплуатации.

Структурная особенность предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства допускает не только указанные выше варианты кинематических связей промежуточной конструкции с рамой тележки, но и варианты компоновки силовых элементов системы в целом (варианты I-VIII, см. далее соответствующие обозначения на фиг.7-14).

Общая отличительная особенность первой группы вариантов компоновки силовых элементов предлагаемой системы опор (варианты I-III) в том, что опорная часть выполнена с расположением комплекта упругих элементов каждой опоры на верхней поверхности боковины рамы тележки в продольной плоскости симметрии сечения боковины. Качающиеся стержни могут быть при этом расположены:

а) в той же плоскости с опиранием на плоской промежуточной конструкции (вариант I);

б) в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на наружной консоли промежуточной конструкции (вариант II);

в) на внутренней консоли промежуточной конструкции (вариант III).

Во второй группе компоновочных вариантов силовых элементов предлагаемой системы опор (варианты IV-VI) ее опорная часть выполнена с расположением комплекта упругих элементов каждой опоры рядом с наружной поверхностью боковины рамы тележки и опиранием их на кронштейны в нижней части боковины. Положение качающихся стержней при этом возможно:

а) в продольной плоскости расположения упругих элементов (вариант IV) с опиранием на плоский промежуточной конструкции;

б) в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на наружной консоли промежуточной конструкции (вариант V);

в) на продольных консолях промежуточной конструкции (вариант VI).

Третья группа основных вариантов компоновки силовых элементов предлагаемой системы опор (варианты VII-VIII) характеризуется тем, что комплект упругих элементов каждой опоры расположен рядом с внутренней поверхностью боковины рамы тележки и опирается на кронштейны в нижней части боковины или на поперечные элементы рамы тележки в ее средней части. В этом случае качающиеся стержни могут быть расположены:

а) в продольной плоскости расположения упругих элементов с опиранием на плоской промежуточной конструкции (вариант VII);

б) в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на внутренней консоли промежуточной конструкции (вариант VIII);

в) на продольных консолях промежуточной конструкции (аналогично варианту VI).

Анализ совместимости вариантов компоновки силовых элементов предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства с конструктивным исполнением кузовов подвижного состава различного назначения показал, что главные общие свойства системы (универсальность и безизносность) с применением перечисленных вариантов могут быть реализованы на любом железнодорожном подвижном составе тележечного типа с проявлением дополнительных полезных качеств.

Вариант I благодаря отсутствию эксцентриситетов главного силового потока обусловливает минимальный общий вес комплекса "рама тележки+система опор". Высота системы опор над верхней поверхностью рамы тележки здесь наибольшая. Однако, например, для локомотивов, в кузове которых размещается не груз или пассажиры, а оборудование, - это не является препятствием.

Высота системы опор в вариантах IV и VII с прямым, как в варианте I, силовым потоком в вертикальных элементах предлагаемой системы, меньше, чем в варианте I, на высоту упругих элементов, хотя вертикальные размеры качающихся стержней и упругих элементов по-прежнему суммируются в общую размерную цепь. Промежуточная конструкция, как и там, здесь никакими эксцентрично приложенными силами не нагружена. Но здесь необходимы низко расположенные опорные элементы рамы тележки.

В остальных вариантах (II и III, V и VI, VIII) вертикальные размеры качающихся стержней и упругих элементов входят в параллельные размерные цепи. Это позволяет опустить нижнюю часть кузова до предела габаритного взаимодействия с верхней поверхностью рамы тележки. Но здесь необходимы поперечная и вертикальная силовые связи опорных узлов качающихся стержней и упругих элементов. Это, естественно, усложняет промежуточную конструкцию, однако может оказаться необходимым по специальным условиям общей компоновки экипажа проектируемого железнодорожного транспортного средства.

Из приведенного анализа видно богатство возможностей для конструктивного воплощения предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства - и это при полном сохранении во всех случаях его главных качеств: универсальности и безизносности. Выбор какой-либо из этих возможностей для практического осуществления должен определяться условиями общего задания на проектирование транспортного средства.

На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемой системы опор кузова на тележку транспортного средства - вид снаружи сбоку (вариант с двумя качающимися стержнями, тремя упругими элементами в каждом опорном узле и одной тягой горизонтальной поперечной связи промежуточной конструкции с рамой тележки);

на фиг.2 - то же, что и на фиг.1, поперечный разрез по центру тележки;

на фиг.3 - то же, что и на фиг.1 и 2, вид в плане, сторона установки горизонтальной поперечной связи промежуточной конструкции с рамой тележки;

на фиг.4 - то же, что и на фиг.1-3, сторона установки горизонтальной поперечной связи тележки с кузовом;

на фиг.5 показана конструктивная схема горизонтальной поперечной связи промежуточной конструкции с рамой тележки двумя тягами по схеме параллелограмма;

на фиг.6 - то же, что и на фиг.5, по схеме антипараллелограмма;

на фиг.7-9 приведена группа компоновочных вариантов схемы опорной части предлагаемого устройства с общим отличительным признаком - расположением комплекта упругих элементов каждой опоры на верхней поверхности боковины рамы тележки в продольной плоскости симметрии сечения боковины:

на фиг.7 - с расположением качающихся стержней опоры в той же плоскости и с опиранием на плоской промежуточной конструкции (соответствует конструктивной схеме фиг.1-4);

на фиг.8 - то же, что и на фиг.7, с расположением качающихся стержней опоры в плоскости; параллельной плоскости расположения комплекта упругих элементов на наружной консоли промежуточной конструкции;

на фиг.9 - то же, что и на фиг.7 и 8, на внутренней консоли промежуточной конструкции;

на фиг.10-12 показана группа компоновочных вариантов схемы опорной части предлагаемого устройства с общим отличительным признаком - расположением комплекта упругих элементов каждой опоры рядом с наружной поверхностью боковины рамы тележки и опиранием их на кронштейны в нижней части боковины:

на фиг.10 - с расположением качающихся стержней опоры в продольной плоскости расположения упругих элементов и с опиранием на плоской промежуточной конструкции;

на фиг.11 - то же, что и на фиг.10, с расположением качающихся стержней опоры в продольной плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, снаружи по отношению к ним и с опиранием на наружную консоль промежуточной конструкции;

на фиг.12 - то же, что и на фиг.10, с опиранием качающихся стержней опоры на продольных консолях промежуточной конструкции (пример исполнения - с разделенным комплектом упругих элементов при их четном количестве, вид снаружи сбоку);

на фиг.13-14 приведена группа компоновочных вариантов схемы опорной части предлагаемого устройства с общим отличительным признаком - расположением комплекта упругих элементов каждой опоры рядом с внутренней поверхностью боковины рамы тележки и опиранием их на кронштейны в нижней части боковины или на поперечные элементы рамы тележки в ее средней части:

на фиг.13 - с расположением качающихся стержней опоры в продольной плоскости расположения упругих элементов и с опиранием на плоской промежуточной конструкции;

на фиг.14 - с расположением качающихся стержней опоры в плоскости, параллельной плоскости расположения комплекта упругих элементов, на внутренней консоли промежуточной конструкции;

на фиг.15 изображена расчетная схема соотношений сил и перемещений в обобщенной (одностержневой с одним упругим элементом) опоре предлагаемой системы опор кузова на тележку транспортного средства; здесь К обозначает твердое тело "кузов" и жестко связанную с ним соответствующую систему координат, Т - аналогичное обозначение для рамы тележки;

на фиг.16 приведена функция β (α) и показаны определяемые ею области устойчивости обобщенной опоры (фиг.15).

В каждой опоре предлагаемой системы на раму тележки 1 опираются упругие элементы 2, верхние концы которых (торцы - если это, например, витые цилиндрические пружины, как показано на фиг.1 и везде принято далее) объединены жесткой промежуточной конструкцией 3. На нее нижними шарнирами 4 опираются сжатые качающиеся стержни 5, верхние шарниры 6 которых через регулировочные элементы 7 передают вертикальные силы с опоры на кузов 8 (фиг.1).

Промежуточная конструкция 3, как среднее звено в силовой цепи передачи вертикальной нагрузки от сжатых качающихся стержней 5 на упругие элементы 2, может быть выполнена в виде горизонтально расположенной прямоугольной промежуточной рамы 9 (фиг.2 и 3). В этом случае она может быть связана с рамой тележки 1 в горизонтальном поперечном направлении одной тягой 10, снабженной сферическими шарнирами на концах - шарниром 11 на промежуточной раме 9 и шарниром 12 с противоположной стороны, который целесообразно закрепить на центральном кронштейне 13 рамы тележки 1. На этом же кронштейне 13 может быть установлен центральный (тележечный) сферический шарнир 14 блока 15 горизонтальной поперечной связи тележки с кузовом 8 через установленный на нем сферический шарнир 16 (фиг.4).

При соединении в горизонтальном поперечном направлении промежуточной конструкции 3 с рамой тележки 1 двумя, имеющими сферические шарниры на концах тягами 17, они размещаются в поперечных плоскостях вне промежуточной конструкции 3 (фиг.5 и 6).

Возможные здесь две кинематические схемы - параллелограмма (фиг.5) и антипараллелограмма (фиг.6) - допускают одинаковое шарнирное соединение тяг 17 с промежуточной конструкцией 3 в ее средней части. В частности, шарниры 18 и 19 этого соединения могут быть размещены в продольной плоскости симметрии тележки (и, соответственно, системы опор). Однако соединение тяг 17 с рамой тележки 1 в указанных кинематических схемах различно.

Когда промежуточная конструкция 3 соединена с рамой тележки 1 по схеме параллелограмма, наружные ("тележечные") шарниры 20 и 21 тяг 17 устанавливаются на одной боковой стороне рамы тележки 1 (фиг.5). При схеме антипараллелограмма ее тележечные шарниры 22 и 23 размещаются на разных боковых сторонах рамы тележки 1 (фиг.6). Существенно, что при этом все конструктивные детали обеих схем (включая промежуточную конструкцию 3) одинаковы. Это ценное качество частично теряется лишь при кинематически допустимом (если это понадобится) расположении шарниров 18 и 19 не в продольной плоскости симметрии тележки. В этом случае промежуточные конструкции 3 рассмотренных схем различаются только поперечными координатами установки на них шарниров 18 и 19.

Основные варианты компоновки силовых элементов предлагаемой системы в объеме сокращенного изображения (одной опоры) показаны на фиг.7-14 (варианты I-VIII). Здесь (и, соответственно, в тексте) принята упрощенная одностержневая схема; кроме этого, с целью исключения перегрузки изображений неполезной цифровой информацией на фиг.8-14 приведена ограниченная нумерация конструктивных элементов.

Одна из важнейших конструктивных характеристик упомянутых вариантов предлагаемой системы опор, как определяющего узла железнодорожного экипажа - их высота над верхней поверхностью рамы тележки. По этому параметру их можно различать по типам:

а) со свободным габаритом (вариант I, фиг.7) - в размерной цепи общей высоты опоры вертикальные размеры упругих элементов и качающихся стержней суммируются, высота опоры наибольшая;

б) значительно уменьшенной высоты - с установкой в вариантах II и III нижних шарниров качающихся стержней на опущенном кронштейне 24 промежуточной конструкции 3 с наружной стороны комплекта упругих элементов (фиг.8) или с внутренней стороны (кронштейн 25, фиг.9); при этом установка упругих элементов на верхней поверхности рамы тележки 1 сохраняется;

в) с практически таким же, как у опор типа б), уменьшением высоты опоры, что может быть достигнуто в вариантах IV и VII за счет опирания упругих элементов на низко расположенные на раме тележки 1 кронштейны - снаружи рамы тележки (кронштейн 26, фиг.10) или внутри ее (кронштейн 27, фиг.13); здесь высота опоры фактически определяется длиной качающегося стержня;

г) наконец, с предельно уменьшенной высотой (варианты V, VI и VIII), что достигается установкой упругих элементов на низко расположенные на раме тележки 1 кронштейны 28 (фиг.11), 29 (фиг.12) и 30 (фиг.14) - в сочетании с опиранием качающихся стержней на поперечные наружные 31 (фиг.11), внутренние 32 (фиг.14) или продольные 33 (фиг.12) кронштейны промежуточной конструкции 3.

Рассмотренными вариантами не исчерпываются комбинаторные возможности конструирования полезных силовых схем предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства. В частности, при четном количестве упругих элементов в комплектах каждой опоры их продольное разделение с опиранием качающихся стержней на продольные кронштейны промежуточной конструкции между полукомплектами упругих элементов по типу варианта VI можно выполнять при всех трех указанных ранее видах размещения упругих элементов относительно рамы тележки: сверху (фиг.7-9), с наружной (фиг.10-12) или внутренней (фиг.13, 14) стороны. Их выбор может быть определен условиями геометрического и силового взаимодействия с кузовными конструкциями.

Этим дополнительно подтверждается универсальность предлагаемой системы опор в указанном ранее смысле их применимости при установке на любой позиции в экипаже с любым (2, 3 или 4) количеством тележек под одним жестким кузовом.

Работа предлагаемой системы опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства состоит в выполнении функций ее подсистем (см. выше):

а) нижней, обеспечивающей упругую передачу вертикальных сил между кузовом и тележкой;

б) верхней, обеспечивающей при указанном условии всестороннюю горизонтальную подвижность кузова относительно тележки; при этом продольная связь кузова с тележкой предполагается жесткой, горизонтальная поперечная - с заданной геометрически ограниченной силовой характеристикой (в частности, нулевой).

Жесткая промежуточная конструкция 3, консолидирующая нижнюю подсистему, при принятой в предлагаемой системе опор жесткой связи с рамой тележки 1 в поперечном направлении исключает поперечное нагружение упругих элементов 2 системы опор при любых горизонтальных поперечных перемещениях кузова относительна тележки. Однако продольное нагружение упругих элементов 2 зависит от кинематический схемы горизонтальной поперечной связи промежуточной конструкции 3 с рамой тележки 1.

При указанной связи одной тягой 10 (фиг.1-4) промежуточная конструкция 3 может поворачиваться в плане относительна рамы тележки 1, нагружая тем самым упругие элементы 2 левой и правой (условно) опор сдвигом в противоположных продольных направлениях с возникновением (как в системе флексикойл) противоповоротного момента. Однако этому повороту при положении экипажа в кривых способствует отрицательная жесткость на горизонтальный сдвиг по качающимся стержням 5 опор (см. выше формулу (1)) и, следовательно, отрицательный момент в плане.

Всегда одновременное действие указанных противоположных причин в предлагаемой системе опор определяет априорную неоднозначность оценки угловой в плане характеристики связи кузова с тележкой и, в частности, устойчивости работы ее конструктивных элементов при одной поперечной тяге 1. Поэтому далее приведено краткое исследование указанных состояний на основе анализа работы обобщенной опоры - с одним сжатым качающимся стержнем и одним упрощенной схемы эквивалентным упругим элементом.

При отсутствии горизонтальной подвижности нижней (опорной) точки O нагруженного вертикальной силой Р номинально вертикального качающегося стержня длиной S относительно закрепленного на раме тележки T упругого элемента опоры - горизонтальное смещение верхней (кузовной) точки К стержня на величину d₁ создает сдвигающую силу Q₁. Она определяется из условия равновесия отклоненного стержня (фиг.15)

Pd₁-Q₁S=0,

оттуда

где - приведенная (эквивалентная) жесткость на поперечный сдвиг стержневой опоры рассматриваемой системы (см. выше анализ работы опоры-прототипа и пояснение к формуле (1)).

Упругая с жесткостью ж горизонтальная подвижность точки O при указанном отклонении d₁ кузова относительно рамы тележки обусловливает сдвиг в положение O' на величину d опорной точки стержня O в направлении τ действия на упругий опорный элемент силы Q₂ (фиг.15). В результате общий относительный горизонтальный сдвиг на опорных точках стержня

с возникновением новой сдвигающей силы Q₂:

или, по определению,

Введем безразмерные характеристики

где - приведенная (эквивалентная) жесткость на поперечный сдвиг рассматриваемой системы стержневой опоры с учетом подвижности опорного шарнира качающегося стержня (ср. с приведенным выше определением (2)).

Из формулы (4) с учетом выражений (2), (3) и (5) следует

Определим соотношение параметров ж₁ и ж жесткости основных конструктивных элементов опоры линейной формой

тогда

Вторую безразмерную характеристику р (см. (6)) найдем из условия определения жесткости на сдвиг первоначального (т.е. с ж₁) и с введенным упругим элементам ж₂ исполнений - на основе одинакового для любой из сравниваемых системы, конструктивно заданного сдвига d₁:

из (2) из (4)

оттуда

и, следовательно,

Из фиг.15 видно: при большой нагрузке Р и чрезмерно податливой на сдвиг точке опоры O сдвигающая сила Q₂ отклоненного стержня может сказаться больше соответствующей реакции опоры R₂=Q₂, и система потеряет устойчивость с последующим неограниченным увеличением перемещений нижнего шарнира опоры. Найдем условия возникновения этого недопустимого состояния.

Рассмотрим свойства функции β(α) (формулы (9) и (10)) с учетом ее производной

Условие α=1 определяет разрыв функции β(α) вида β(I)=±∞ (точка A фиг.16). физический смысл состояния системы поясняется равенством ж=ж₁ (см. соотношение (8)). Равновесие системы неустойчивое. Возрастающая при отклонении точки O под действием силы Q₂ реакция опоры R₂=Q₂; однако в силу указанного равенства ж=ж₁ она не может гарантированно сдержать возрастающую при этом деформацию d упругого элемента и, следовательно, предотвратить его разрушение.

Здесь D=-∞. Это делит область α≥0 определения функции β(α) на две зоны:

а) 0<α<1, β<0 - равновесие системы невозможно, зона катастрофически нарастающих перемещений (область Ω на фиг.16);

б) α>1, β>1 - система теоретически устойчива. При этом асимптотические значения (из определения функции (9)) и (из формулы (11)) соответствуют предельному переходу к конструктивному варианту абсолютно жесткой на сдвиг (ж=∞) опоры качающегося стержня на раме тележки.

Анализ функции D(α) (формула (11)) показывает: значение (фиг.16, точка С) резко разграничивает поведение функции β(α) (формула (10)) по ее асимптотическим приближениям. Этим определяется критериальное условие практически гарантированной устойчивости системы

чему соответствует граничное значение главного (по устойчивости) конструктивного параметра опоры

и оценка β=2 (фиг.16, точка В).

Общий критерий устойчивости опоры

где α_р - конструктивный параметр (8) рассчитываемой системы.

При горизонтальной поперечной связи промежуточной конструкции 3 с рамой тележки 1 двумя параллельными тягами 17 (фиг.5 и 6) возможность поворота в плане промежуточной конструкции 3 относительно рамы тележки 1 исключена: пара сил в тягах на плече L_с создает жесткий стабилизирующий момент, действующий при любых перемещениях кузова относительно тележки. Благодаря этому работа на сдвиг упругих элементов 2 системы опор здесь исключена. При повороте в плане тележки относительно кузова между ними действует только способствующий этому повороту момент, обусловленный кинематикой стержневой системы:

где L_т - горизонтальное поперечное расстояние между продольными плоскостями расположения качающихся стержней опоры 5 (см. фиг.2 и пояснения к формуле (1)).

Такая система опор всегда устойчива. Однако горизонтальная поперечная связь промежуточной конструкции 3 с рамой тележки 1 одной центральной тягой 10 (фиг.1-4) конструктивно значительно проще и, что может оказаться решающим, - более приемлема по условиям геометрического взаимодействия с силовыми конструкциями и коммуникациями кузова. Поэтому для выбора типа указанных связей при конструкторских разработках оценка устойчивости системы опор при связи первого типа необходима.

Указанный анализ выполнен ниже в качестве примера расчета устойчивости опоры с параметрами элементов конструкции эксплуатируемых электровозов:

а) длина качающегося стержня - расстояние между шарнирами сжатых весовой нагрузкой упруго деформируемых по длине опорных стержней средней тележки электровоза ВЛ85 (см. прототип) S=1180 мм;

б) статическая нагрузка на опору Р=67,1 кН;

в) характеристика элементарной пружины:

диаметр прутка d_o=50 мм;

средний диаметр пружины D_o=254 мм;

количество рабочих витков n=7,0;

полное количество витков n₁=8,5;

высота пружины в свободном состоянии H_o=660 мм.

Приведенная (эквивалентная) жесткость на горизонтальный сдвиг стержневой части опоры

Расчетная продольная жесткость пружины

где G=8·10⁴ Н/мм - модуль упругости на сдвиг для пружинных сталей.

Продольная деформация пружины под статической нагрузкой Р

Расчетная высота пружины под статический нагрузкой

Н_р=Н_о-f_p-d_o=660-123-50=487 мм.

Жесткость пружины при поперечном сдвиге

где А=1,63 - поправочный коэффициент, определяемый по номограмме в функции соотношений

(см. РД 32.51-95. Методика расчета на прочность пружин рессорного подвешивания подвижного состава железных дорог при действии предельных и комбинированных нагрузок. Рис.А.4).

Определяющее устойчивость опоры соотношение жесткости ж и ж₁ (см. формулы (8) и (13))

дополнительная оценка по функции β(α) (формула (10), точка В_o на фиг.16)

и по дифференциальной характеристике (формулы (11) и (12), точка С_о там же)

образуют систему частных оценок, согласованно подтверждающих гарантированную устойчивость опоры с приведенными в начале расчета параметрами.

Общий критерий устойчивости опоры (14)

1. Система опор кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, состоящая из двух одинаковых опор, размещенных каждая на боковых частях рамы тележки в средине ее продольной базы, причем каждая опора содержит по крайней мере один номинально вертикально установленный сжатый качающийся стержень с жесткими сферическими шарнирами на концах, верхние из которых, установленные на кузове, снабжены регулировочными элементами, и упругие элементы, отличающаяся тем, что выполнена в виде установленных на раме тележки в указанных местах двух комплектов упругих элементов с объединением всех их верхних концов жесткой промежуточной конструкцией, на которую шарнирно опираются жесткие сжатые качающиеся стержни; промежуточная конструкция соединена с рамой тележки связью, жесткой в горизонтальном поперечном направлении и не ограничивающей вертикальных перемещений промежуточной конструкции относительно рамы тележки при вертикальных деформациях упругих элементов.

2. Система опор по п.1, отличающаяся тем, что промежуточная конструкция выполнена в виде горизонтально расположенной прямоугольной промежуточной рамы.

3. Система опор по п.2, отличающаяся тем, что промежуточная рама соединена с рамой тележки в горизонтальном поперечном направлении одной горизонтальной поперечной тягой со сферическими шарнирами на концах, размещенной в поперечной плоскости симметрии конструктивных узлов опор.

4. Система опор по п.1, отличающаяся тем, что промежуточная конструкция соединена с рамой тележки в горизонтальном поперечном направлении двумя имеющими сферические шарниры на концах горизонтальными поперечными тягами, размещенными в поперечных плоскостях вне промежуточной конструкции.

5. Система опор по п.4, отличающаяся тем, что промежуточная конструкция соединена с рамой тележки по схеме параллелограмма с размещением тележечных шарниров этой схемы на одной боковой стороне рамы тележки.

6. Система опор по п.4, отличающаяся тем, что промежуточная конструкция соединена с рамой тележки по схеме антипараллелограмма с размещением тележечных шарниров на разных боковых сторонах рамы тележки.

7. Система опор по любому из пп.3 - 6, отличающаяся тем, что шарниры тяг выполнены беззазорными с применением в них упругих элементов.

8. Система опор по п.1, отличающаяся тем, что ее опорная часть выполнена с расположением комплекта упругих элементов каждой опоры на верхней поверхности боковины рамы тележки в продольной плоскости симметрии сечения боковины и с расположением качающихся стержней опоры в той же плоскости с опиранием на плоской промежуточной конструкции.

9. Система опор по п.8, отличающаяся тем, что качающиеся стержни опоры расположены в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на наружной консоли промежуточной конструкции.

10. Система опор по п.8, отличающаяся тем, что качающиеся стержни опоры расположены в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на внутренней консоли промежуточной конструкции.

11. Система опор по п.1, отличающаяся тем, что ее опорная часть выполнена с расположением комплекта упругих элементов каждой опоры рядом с наружной поверхностью боковины рамы тележки и опиранием их на кронштейны в нижней части боковины, причем качающиеся стержни опоры расположены в продольной плоскости расположения упругих элементов с опиранием на плоской промежуточной конструкции.

12. Система опор по п.11, отличающаяся тем, что качающиеся стержни опоры расположены в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на промежуточной консоли промежуточной конструкции.

13. Система опор по п.11, отличающаяся тем, что выполнена с опиранием качающихся стержней опоры на продольных консолях промежуточной конструкции.

14. Система опор по п.1, отличающаяся тем, что комплект упругих элементов каждой опоры расположен рядом с внутренней поверхностью боковины рамы тележки и опирается на кронштейны в нижней части боковины или на поперечные элементы рамы тележки в ее средней части, причем качающиеся стержни опоры расположены в продольной плоскости расположения упругих элементов с опиранием на плоской промежуточной конструкции.

15. Система опор по п.14, отличающаяся тем, что качающиеся стержни опоры расположены в плоскости, параллельной плоскости расположения упругих элементов, на внутренней консоли промежуточной конструкции.

16. Система опор по п.14, отличающаяся тем, что выполнена с опиранием качающихся стержней опоры на продольных консолях промежуточной конструкции.