Колесные пары электроподвижного состава связаны с рамой тележки и кузовом через системы упругих элементов, называемые рессорным подвешиванием.

В качестве упругих элементов применяют винтовые пружины и листовые рессоры, а также резинометаллические элементы.

Согласно "Техническим требованиям к проектируемым локомотивам по условиям прочности, динамики и воздействия на путь" поездные и грузовые локомотивы должны иметь две ступени упругого подвешивания. При этом, общий статический прогиб рессорного подвешивания должен быть для пассажирских локомотивов не менее 0,14 м и для грузовых не менее 0,1 м.

В зависимости от назначения электровоза (грузовой, пассажирский, высокоскоростной) решаются вопросы гибкости рессорного подвешивания, распределения гибкости в каждой ступени.

По числу пружин приходящихся на точку передачи усилия следует различать одинарное и двойное подвешивание.

Первая ступень упругого подвешивания электровозов располагается между колесной парой и рамой тележки (буксовое подвешивание) состоит, как правило, из рессор и пружин, рессор, пружин и балансиров, пружин и гидравлических гасителей.

Сбалансированное подвешивание трехосных тележек выполняется комбинированием рессор с пружинам; причем у грузовых электровозов пружины располагаются, только по концам сбалансированной системы (электровоз ВЛ85),

У трехосных тележек скоростных электровозов сбалансирование рессор или пружин, как правило, не выполняется, так как при высоких скоростях движения выравнивание нагрузок колес балансирами не эффективно.

Однако, следует иметь ввиду, что сбалансирование обеспечивает сохранение статического распределения нагрузок и не требует проверки на весах нагрузок колес на рельсы на случай возможной просадки рессор или пружин.

Вторая ступень упругого подвешивания (вторичное рессорное подвешивание) электровозов выполняется с применением люлек с продольными рессорами и со скользящими пружинными опорами.

Для гашения вертикальных колебаний упругое подвешивание должно иметь соответствующее демпфирование.

Для уменьшения виляния локомотива следует применить демпфирование между кузовом и тележками в горизонтальной плоскости.

В ходе расчетов в соответствии с заданием выполняется распределение суммарного статического прогиба f_ст, между ступенями рессорного подвешивания.

= +

причем

Где - суммарный статический прогиб системы рессорного подвешивания, - статический прогиб первой ступени, м; - статический прогиб второй ступени, м; - процентное соотношение прогиба первой ступени упругого подвешивания к суммарному статическому прогибу, %;

Статический прогиб в первой ступени рессорного подвешивания м, распределяется между пружинами,

=

где - статический прогиб пружины в первой ступени подвешивания, м:,

Схема первой ступени упругого подвешивания на одно колесо представлена комбинацией двух параллельно включенных пружин, тогда жесткость пружин кН/м, в этом случае определяется по формулам:

где - статическая весовая нагрузка, приходящаяся на одну пружину, Н;

Рис. 8 Схема первой ступени упругого несбалансированного рессорного подвешивания тележки электровоза

Жесткость упругих элементов , кН/ м, (пружин, рессор, резинометаллических элементов) во второй ступени подвешивания, при условии одинаковой весовой нагрузки приходящейся на каждый упругий элемент, определяется по формуле

где - вес кузова электровоза, приходящийся на тележку, кН;

- количество пружин в кузовном подвешивании тележки, шт.;

Рассчитаем жесткость каждого упругого элемента , КН/м,

во второй ступени рессорного подвешивания электровоза ВЛ6О схема, которой представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема второй ступени рессорного подвешивания электровоза ВЛ60

Кузов электровоза ВЛ6О опирается на тележку через две центральные (маятниковые) 2 в две боковые (дополнительные) опоры 1. Центральные опоры расположены на поперечных балках, а боковые опоры расположены симметрично на боковинах тележки. Вес кузова через центральную опору передается на тележку через два последовательно соединенных упругих элемента (резиновых конуса). В конструкции боковой опоры упругим элементом является пружина. Конструкция опор предусматривает распределение веса кузова так, что на одну центральную опору, как и на один резиновый конус опоры приходиться , а на одну боковую опору приходиться . Статический прогиб одного резинового конуса центральной опоры равен половине статического прогиба второй ступени упругого подвешивания электровоза . Статический прогиб одной пружины боковой опоры равен статическому прогибу второй ступени упругого подвешивания

Жесткость пружины боковой опоры и жесткость резинового конуса центральной опоры , , кН/м, второй ступени упругого подвешивания электровоза ВЛ6О определим по формулам:

Выполним проверку, в соответствии с которой сумма нагрузок каждого упругого элемента , кН, второй ступени упругого подвешивания равна весу кузова электровоза кН, приходящегося на тележку

Расчет эквивалентной жесткости первой и второй ступени подвешивания

Для последующего расчета динамических параметров проектируемой тележки при построении расчетных схем, всю систему упругих элементов рессорного подвешивания заменяют одним эквивалентным элементом, который при действии приходящегося на систему усилия дает то же опускание надрессорного строения (тот же прогиб), что и заменяемая ею группа упругих элементов (рессор и пружин). Отсюда следует, что работа такой группы упругих элементов и эквивалентного упругого элемента (пружины), вызванная приходящимся на систему усилием, одинакова.

Из определения эквивалентной Жесткости следует, что при прогибе на некоторую величину упругий элемент с эквивалентной жесткостью совершает ту же работу, что и заменяемая им система сбалансированных рессор и пружин. Эквивалентная жесткость трехосной тележки определяется из условия равенства этих работ. При равноплечих балансирах соответствующая нагрузка надрессорного строения равномерно распределена между колесами, вследствие чего усилие, приходящееся на каждую пружину равно , а на листовую рессору. Под этими нагрузками прогиб рессоры жесткостью равен , а у пружины жесткостью соответственно .

Работа, как рессор, так и пружин, имеющих линейную зависимость между усилием и прогибом, равна половине произведения усилия на вызванный им прогиб. Следовательно, работа одной пружины , дж, и одной листовой рессоры равна , дж:

Так как система упругих элементов первой ступени рессорного подвешивания электровоза ВЛ6О на сторону состоит из трех рессор и двух пружин найдем суммарную работу А, кДж, данной системы.

Эквивалентный упругий элемент на сторону рассмотренной системы имеет то же прогиб , м, и воспринимает то же усилие , что и реальная система, т.к. работа этих систем одинакова. Поэтому эквивалентная жесткость тележки на сторону имеет прогиб . Следовательно, работа эквивалентной системы равна А_э, кДж:

Приравнивая работу действительного и эквивалентного рессорного подвешивания (А = А_э), получим

после преобразований

или

Проверка: Найдем эквивалентную жесткость через реакции, действующие на систему.

,

Приравнивая работу действительного и эквивалентного рессорного подвешивания (А = А_э), получим

После преобразований

или

Проверка сошлась.

При проектировании тележки локомотива следует выполнить расчет эквивалентной жесткости первой ступени рессорного подвешивания, приходящейся на тележку и сторону , кН/м, а так же эквивалентной жесткости второй ступени приходящейся на тележку , кН/м и обеих ступеней подвешивания , кН/м.

Расчет параметров и проверка жесткости упругих элементов рессорного подвешивания

Методика расчета однорядной пружины

Ходовые качества электровоза зависят не только от конструкции рессорного подвешивания, но и, в значительной степени, от правильного выбора гасителей колебаний и стабильности их параметров.

В тележечном и кузовном подвешивании современных электровозов в качестве упругих элементов часто применяются только цилиндрические пружины, обладающие целым рядом преимуществ перед листовыми рессорами.

В то же время они имеют существенный недостаток - почти полное отсутствие сил сопротивления, необходимых для уменьшения или ограничения величины амплитуд колебаний кузова и тележек электровоза. В таком подвешивании обязательно устанавливаются специальные гасители колебаний (демпферы), способные превращать механическую энергию колебательного процесса в тепловую с последующим рассеиванием ее в окружающую среду. Как правило, в конструкции подвешивания современных электровозов используются гидравлические гасители колебаний.

Принцип работы гидравлического гасителя колебаний заключается в последовательном перемещении вязкой жидкости поршнем через узкие каналы (дроссельные отверстия). При прохождении жидкости через эти каналы возникает вязкое трение.

Вынужденные колебания электровоза обусловлены удельным действием стыков и действием различных неровностей рельсового пути и колеса.

Для подбора гидравлических гасителей с оптимальным коэффициентом демпфирования необходимы следующие данные: величина колеблющейся массы, жесткость рессорного подвешивания, длина неровности, критическая скорость движения по заданной неровности.

Частота собственных колебаний тележки без учета демпфирования определяется по формуле

где

- эквивалентная жесткость комплекта рессор и пружин одной колесной пары;

,

Нс² /м - масса обрессоренных частей кузова и тележки, приходящаяся на одну колесную пару.

При равенстве частоты внешнего возмущения щ и частоты собственных колебаний определяется критическая скорость

Оптимальному значению коэффициента демпфирования соответствует минимальное значение функционала J, учитывающего отклонения и ускорения системы за длительное время. После умножения функционала J на жесткость рессорного подвешивания легко уяснить его физический смысл: это энергия, сообщаемая системе и расходуемая на колебания. Для практического применения на основании выше приведенной формулы получено следующее выражение для расчета функционала:

z₀ - статический прогиб первой ступени подвешивания.

Для пяти - шести значений коэффициента демпфирования от 0 до 1 определяются соответствующие значения функционала

По кривой J (D) определяется оптимальное значение коэффициента демпфирования D_опт, соответствующее минимальному значению функционала J_min. Для найденного оптимального значения коэффициента демпфирования D_опт рассчитывается соответствующий ему параметр гасителя колебаний

и частота колебаний узла демпфирования

С учетом демпфирования определяется частота собственных колебаний

Период колебаний

Отношение двух последовательных амплитуд затухающих колебаний называется декрементом затухания d

Натуральный логарифм этого отношения называется логарифмическим декрементом затухания

Расчет параметров сухого трения в листовых рессорах и определение оптимального коэффициента демпфирования

Рессора является гасителем колебаний с сухим трением. В процессе работ рессоры имеют место трения между листами, которое зависит от числа коренных листов в рессоре, наличие смазки между листами, заделки листов в хомуте и определяется относительным коэффициентом трения, рассчитываемым по формуле:

где F - сила преодоления внутреннего трения между листами в обеих половинах рессоры, кН;

- расчетная нагрузка на рессору, кН;

=0,25 - коэффициент трения между листами рессоры, зависящий от наличия смазки;

h - толщина листа в рессоре, - 0.0045 м;

1_Р - длина рессоры, - 1.35 м;

m=3 количество коренных листов в рессоре;

n₀ = m+n=11 - общее число листов рессоры.

Вследствие того, что в процессе работы рессоры часть механической энергии переходит в тепловую и рассеивается в воздухе, кривая зависимости прогиба рессоры от нагрузки, при ее увеличении и снятии, образует две несовпадающие друг с другом ветви. Сжатие листов рессоры хомутом вызывает дополнительное трение. Такая графическая зависимость называется диаграммой нагружения и разгрузки рессоры, представленной на рисунке 14.

Для расчета рессоры с сухим трением между листами используется тот же принцип равенства энергии, накапливаемой в системе и расходуемой за один период колебаний, что важно и для гидравлических гасителей.

Энергия Е_р Дж, поглощенная рессорой за один период колебания, численно равна площади трапеции abсd, которую приближенно можно рассчитать по следующей формуле:

Е_р =2*F*2f_д = 2***f_д=2*42*0,0189*0,065=103, 19

где f_Д =0,5 * f_CT - динамический прогиб рессоры, м.

Расчеты колебаний систем с сухим трением в вычислительном смысле весьма неудобны, поэтому в расчетной схеме необходимо выполнить замену фрикционного гасителя (рессоры) эквивалентным по действию гидравлическим. При этом следует подобрать такой условный коэффициент сопротивления гидравлического гасителя , при котором действие фрикционного гасителя будет эквивалентно действию гидравлического. Для этого необходимо приравнять энергию, поглощаемую фрикционным и условным гидравлическим гасителем. Энергия Е, Дж, поглощенная гидравлическим гасителем колебаний:

Е =

Если _у =, тогда,

,

откуда

где z₀ =0,5 f_CT - амплитуда собственных колебаний механической системы, - частота собственных колебаний тележки без учета демпфирования, Гц.

-эквивалентная жесткость комплекта рессор и пружин одного колеса колесной пары, Н/м;

- масса обрессоренных частей кузова и тележки, приходящаяся на одно колесо колесной пары, кг

Рис. 13. Диаграмма нагружения и разгрузки рессоры

Библиографический список

1. Буйнова Н.П., Капустина Е.П., Милованова Е.А., Чупраков Е.В. - Методическое пособие к выполнению учебно-исследовательской курсовой работы по дисциплине "Электрические железные дороги". - Иркутск: ИрГУПС, 2008.

2. Механическая часть тягового подвижного состава / Под ред. И.В. Бирюкова - М.: Транспорт, 1992.

3. Тушканов Б.А., Богаров В.И., Крузе В.В., Сорин Н.А. Магистральные электовозы переменного тока ВЛ60 и ВЛ80. - М.: Транспорт, 1964

4. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. - М.: Транспорт1974.

5. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока. - М. Транспорт, 1991

6. Медель В.Б. Проектирование механической части электроподвижного состава. - М.: Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение МПС, 1963

Размещено на Allbest.ru