Характеристики локомотивов

От латинского слова deformatio - искажение - изменение формы или размеров тела пластинки (в направлении от ее концов к середине) будет возрастать пропорционально изгибающему моменту. Такие пластинки в форме ромбов относят к телам, которые носят название тел равного сопротивления изгибу. При ромбообразной форме все листы рессоры при изгибе имели бы примерно одинаковые напряжения. Но ромбообразные листы неудобно применять в подвижном составе из-за слишком большой ширины. Чтобы ширина рессоры была небольшой и в то же время сохранились качества тела равного сопротивления, поступают так: ромбообразный лист разрезают на несколько листов небольшой ширины (линии разреза приведены на рис. 1б). Затем полученные листы соединяют попарно (в нашем примере 2--2, 3--3, 4--4, 5--5 и 6--6) и накладывают друг на друга (рис. 1в) с таким расчетом, чтобы наверху был самый длинный и широкий (коренной) лист (практически берут два-три коренных листа). Под коренным листом размещаются остальные более короткие листы. Количество листов в рессоре выбирается в зависимости от их размеров и величины нагрузки. Собранные таким образом листы охватывают хомутом в средней их части.

Более просто устроена пружина -- винтовая (цилиндрическая) рессора, навитая из одного прутка. Какими же свойствами должна обладать листовая рессора или винтовая пружина, чтобы она лучше смягчала толчки и удары?

Необходимо, чтобы рессорная система была как можно мягче, т.е. чтобы, по возможности, больше прогибалась. Гибкость - одна из важнейших характеристик упругих свойств рессоры. Обычно гибкость рессорной системы устанавливают в зависимости от скорости. Чем выше конструкционная скорость локомотива, тем гибче должна быть рессора. Она лучше смягчает воспринимаемые толчки и удары при наезде колес на неровности пути, однако гибкость ограничивается прочностью рессор. Такой же важной характеристикой упругих свойств рессоры является жесткость - величина, обратная гибкости, т.е. нагрузка, вызывающая прогиб рессоры на 1 мм. Статический прогиб рессор у современных локомотивов достигает 100 -- 115 мм и даже 150--170 мм (при пневматическом или двухступенчатом рессорном подвешивании и последовательном включении упругих элементов, размещаемых между рамой тележки и кузовом локомотива).

Гибкость рессорного подвешивания листовых рессор увеличится, если они станут работать совместно с винтовыми (пружинными) рессорами (рис. 2). Чтобы более равномерно распределить нагрузку между осями тележки, отдельные рессоры часто соединяют одну с другой посредством балансиров. Балансир напоминает коромысло: средней своей частью он опирается на специальную опору буксы, на которой может качаться.

Рис. 2 Схема работы рессорного подвешивания

С листовыми рессорами балансиры соединены с помощью подвесок. Внешние концы крайних балансиров через стойку связаны с двойными пружинами, опирающимися на раму тележки. Таким образом, на этот конец балансира нагрузка от рамы передается через две пружины, что позволяет снизить напряженность их работы. На рессоры нагрузка от рамы тележки передается через хомуты, соприкасающиеся с нижней плоскостью боковин тележки посредством подкладок. Механизм, составленный из рессор, балансиров, подвесок, поводков, шарнирных соединений, гасителей колебаний, условились называть рессорным подвешиванием. Оно призвано равномерно распределять (выравнивать) нагрузку между отдельными колесными парами, т. е. снижать динамическое воздействие на путь.

Соединение рессор и пружин одной стороны тележки с помощью балансиров позволяет поддерживать примерно одинаковую нагрузку на колесные пары во время движения тепловозов. Такая комбинированная подвеска рессорного подвешивания называется сбалансированной. Каждая тележка тепловозов ТЭЗ, ТЭ10, ТЭП60, ТЭ1, ТЭ2 имеет две такие самостоятельные (левую и правую), не связанные между собой системы, или, как принято говорить, две «точки» рессорного подвешивания. Точкой рессорного подвешивания при сбалансированном подвешивании называют группу сбалансированных рессор и пружин. При индивидуальном подвешивании на каждой буксе есть соответствующая «точка» подвешивания. Они располагаются симметрично с обеих сторон тележки и работают независимо друг от друга. В двух тележках получается, таким образом, четырехточечное сбалансированное рессорное подвешивание. Однако описанная система подвешивания имеет недостатки. Если бы рессоры и пружины были идеальными, то колесо поднималось и опускалось бы под кузовом (рамой тележки) в соответствии с неровностью рельса, а кузов (рама тележки) оставался на одном и том же уровне от верхнего строения пути. Но идеальные рессоры невозможны.

Тогда возникает вопрос: что произойдет с рамой тележки, кузовом после того, как действие толчков и ударов кратковременно прекращается, т. е. после того, как колесо пройдет неровность? Благодаря приобретению энергии они начнут колебаться подобно маятнику, выведенному ударом из положения равновесия. Такие колебания маятника, в данном случае кузова и рамы тележек, называются свободными, или собственными. Эти колебания в зависимости от трения в рессорном подвешивании будут постепенно уменьшаться, затухать.

Спрашивается, какая рессора обладает большим трением -- листовая или пружина? Ясно, что в самой листовой рессоре между листами появляется трение и тем больше, чем больше в ней листов.

Хорошо ли это? И да, и нет. Да, потому что листовая рессора, обладая значительным трением между листами, лучше, чем пружина, поглощает колебания подрессоренных масс и в этом отношении является как бы фрикционным гасителем колебаний. Плохо, так как многолистовая рессора из-за большого трения между листами прогибается очень мало. Чтобы уменьшить трение между листами, их перед сборкой рессоры тщательно смазывают, обычно графитовой смазкой. Но смазка во время эксплуатации тепловоза высыхает, и тогда многолистовая рессора превращается в «массивную» балочку (балансир). При высокой скорости возрастают динамические нагрузки, что влечет за собой существенный прогиб рессор, но трение в шарнирах и инерция системы подвешивания препятствуют эффективному выравниванию нагрузок. В результате многолистовая рессора при высокой скорости не успевает среагировать (прогнуться) на проезжаемые неровности. Вот почему на тепловозах ТЭЗ 18-листовые рессоры уступили место 8-листовым рессорам с большей толщиной листов, которые позволяют уменьшить внутреннее трение. Но и эта мера не достигает цели: балансиры и рессоры, обладающие значительной инерцией, усугубляемой трением в шарнирах, не успевают справиться с выравниванием (перераспределением) «молниеносных» динамических нагрузок между колесными парами, т. е. даже хорошо сбалансированное рессорное подвешивание при больших скоростях движения плохо выполняет свои функции при прохождении колесами неровностей пути.

На тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ10В, ТЭ109 от листовых рессор отказались. Их место заняли пружины, которые устанавливают на каждой буксе без балансирной связи с пружинами буксы смежной колесной пары. Такое рессорное подвешивание не только намного легче и дешевле, но и проще в обслуживании и в отличие от сбалансированного называется индивидуальным. В современном локомотивостроении индивидуальное подвешивание нашло преимущественное применение, а сбалансированное рессорное подвешивание используется в основном на старых тепловозах, предназначенных для обслуживания тяжелых грузовых поездов с относительно невысокой скоростью движения.

Рассмотрим вкратце устройство пружинной подвески. Каждая букса имеет по два кронштейна, на гнезда которых опираются две одинаковые пружины. На самом деле, чтобы снизить напряжения в витках, каждая пружина может состоять из наружной, внутренней и средней, т. е. комплектуется из трех пружин. Однако винтовые пружины обладают малым внутренним трением (так как нет листов, а значит, и нет трения между ними). Поэтому пружина по сравнению с листовой рессорой колеблется дольше, т. е. не способствует быстрому затуханию колебаний. Кроме того, пружина не может предотвратить явление резонанса -- опасное явление, при котором частота колебаний от неровностей рельсов совпадает с частотой собственных колебаний локомотива. Неужели же тут нет выхода?

Наиболее простое средство -- это параллельно с пружиной (рис. 3) разместить демпфирующее устройство, создающее искусственное трение, которого нет у винтовой пружины.

Рис. 3 Размещение демпфирующего элемента параллельно пружине

Рис. 4 Схема двухступенчатого подвешикания

Один из способов вызвать трение -- зажать между вкладышами стальной поршень, «шток» которого соединить с буксой, а корпус этого устройства -- с рамой тележки. Тогда при перемещениях буксы поршень станет тереться о вкладыши. Возникающая между их поверхностями сила трения будет гасить колебания движущегося тепловоза. Устройство это получило название фрикционного гасителя колебаний. Изменяя силу прижатия вкладышей к поршню, можно регулировать развиваемую силу трения. В этом и состоит суть действия описанного гасителя, который работает вместе с винтовыми пружинами.

Искусственное трение создают, используя также жидкость или воздух, в соответствии с чем различают гидравлические и пневматические гасители. Кроме того, в некоторой степени гашение колебаний подрессоренных масс способствуют резиновые элементы, применяемые в узлах связи букс с рамой тележки и рамы тележки с кузовом.

Читателю уже известно, что высокий статический прогиб рессорного подвешивания -- одно из важных условий плавности хода тепловоза, т. е. малой чувствительности его к неровностям пути, особенно при высоких скоростях движения. Существуют другие способы (помимо описанных) увеличить гибкость рессорного подвешивания. На локомотивах, развивающих скорость свыше 100 км/ч, а также при повышенной нагрузке от оси на рельсы (более 250 кН/ось, или 25 тс/ось) устраивается двухэтажное, или, как принято говорить, двухступенчатое, подвешивание (рис. 4). Первая ступень размещается обычно между буксами колесных пар и рамой тележки, вторая между рамой тележки и кузовом. Благодаря смягчающему действию сначала первой, а затем второй ступени кузов получает более плавные колебания. Таким образом, вес кузова вместе с весом оборудования, находящимся в кузове, передается колесным парам через обе ступени рессорного подвешивания, а вес рамы тележки, включая часть веса тяговых электродвигателей при опорно-осевом их подвешивании и другого оборудования только через одну ступень. В результате общий статический прогиб двухступенчатого подвешивания значительно увеличивается по сравнению с одноступенчатым. Однако двухступенчатое подвешивание все же усложняет конструкцию локомотива. На отечественных локомотивах в основном применяется одноступенчатое подвешивание.

А что если отказаться от традиционной конструкции рессор и призвать на помощь сжатый воздух, воспользоваться его упругостью? Подвижной цилиндр с поршнем, наполненный сжатым воздухом давлением рв -- это же простейшая пневматическая рессора. Как и обычная металлическая, эта рессора в зависимости от величины нагрузки будет сжиматься или распрямляться, т. е. каждому изменению нагрузки (Q-\-q) соответствует определенное положение цилиндра (высота h\ давление р\). Иными словами, под действием нагрузки, приходящейся на пневморессору (в нашем примере на цилиндр), воздух, заключенный в ограниченном пространстве, будет то сжиматься (рессора становится жестче), то расширяться (рессора становится мягче). Но такая простая по устройству пневморессора имеет упругость меньшую, чем обычная металлическая рессора, и поэтому применение ее нецелесообразно.

Нельзя ли сделать так, чтобы высота h пневморессоры (высота между тележкой и кузовом), т. е. жесткость ее, оставалась постоянной независимо от величины нагрузки, чего нет и не может быть у металлической рессоры? Если бы это удалось, тогда кузов локомотива или вагона оставался бы на предварительно заданной высоте: он бы не реагировал на состояние пути, на изменение вертикальных нагрузок, возникающих в результате движения, так что даже из стакана, наполненного до краев водой, не выплеснулось бы ни капли несмотря на большую скорость поезда. Вот это комфорт!

Сжатый воздух за счет изменения его давления в пневморессоре позволяет решить эту задачу, причем автоматически с помощью, например, высото-регулирующего клапанного механизма. На рис. 5 для наглядности показан не клапанный, а менее совершенный золотниковый механизм.

Рис. 5 Схема работы пневматической рессоры с высоторегулирующем механизмом

Если кузов нагружается, пневморессора сжимается (в нашем примере цилиндр опускается); золотник вводит в цилиндр (в рессору) некоторое количество дополнительного воздуха, кото-, рый стремится возвратить пневморессору на первоначальную высоту, т. е. равновесие восстанавливается. Если кузов разгружается (нагрузка уменьшается), рессора поднимается (распрямляется), то золотник выпускает часть воздуха и равновесие снова восстанавливается: после этого золотник перекрывает впускное и выпускное отверстия. В этом состоит одно из преимуществ пневморессоры перед стальной рессорой, жесткость которой, как указывалось, не регулируется.

В такой конструкции практически невозможно избежать утечек воздуха через неплотности между поршнем и цилиндром. На подвижном составе эта задача решена с помощью непроницаемых резиновых баллонов, наполненных воздухом, -- пневморессор (рис. 6). Для питания пневморессор сжатым воздухом они подключаются к напорной воздушной магистрали локомотива.

Рис. 6 Схема пневматического подвешивания.

При увеличении нагрузки Q кузова, т. е. при сжатии пневморессоры, в баллон дополнительно впускается сжатый воздух, а при ее распрямлении -- выпускается. Благодаря изменению давления внутри пневматической рессоры высота ее под статической нагрузкой локомотива, передающейся от веса подрессоренных частей, поддерживается практически постоянной. Механизм, предназначенный для компенсации утечек воздуха, должен срабатывать только при значительном статическом прогибе рессор (например, при проходе стыков рельсов, стрелочных переводов), а при обычных (небольших) колебаниях тепловоза он срабатывать не должен. Такие быстро протекающие колебания кузова и рамы должны поглощаться резиновыми элементами, которые для этого последовательно включаются в рычажный привод высоторегулирующего механизма. Стоит же вертикальным колебаниям превысить допускаемую величину (амплитуду), на которую рассчитаны резиновые элементы, как в действие вступает уже сам высоторегулирующий механизм, автоматически открывающий или закрывающий доступ воздуха в рессору.

Пневматическое рессорное подвешивание не требует включения в систему специальных амортизаторов гашения динамических колебаний. Почему? Потому, что пневморессора со тележки тепловоза 2ТЭ10В соединяется с дополнительным воздушным резервуаром: по пути в рессору сжатый воздух из резервуара проходит через дроссельные отверстия, играющие роль гасителя колебаний, так как они оказывают сопротивление перетеканию воздуха.

Список литературы

1. С.П. Филонов «Тепловоз М62» М., Транспорт, 1977, 280с