Admin

Часть 16. ТЕЛЕЖКИ И РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ ТЕПЛОВОЗОВ

В конструкциях современных магистральных локомотивов стран мира наибольшее распространение получили тележеч­ные экипажи. На отечественных грузовых и пассажирских тепло­возах применяют самые разнообразные конструкции тележек, которые различаются: числом осей, типом букс, способом под­вешивания тяговых электродвигателей (ТЭД), типом рессорного подвешивания и рядом других конструктивных исполнений.

Тележка тепловоза объединяет в одно целое колесные пары, буксы, тяговые электродвигатели с системой подвешивания и тяговые редукторы. Эти, ранее рассмотренные узлы ходовой ча -, сти тепловоза, а также рессорное подвешивание, с которым еще предстоит нам познакомиться, связаны друг с другом через раму тележки. На раме тележки, которая является самым напряжен­ным элементом экипажной части, также размещаются устрой­ства связи тележки с кузовом (рамой) тепловоза. К числу этих устройств относят опорно-возвращающие устройства (опоры) и шкворневой узел.
На тепловозах, в основном, применяют двух- и трехосные тележки. Четырехосные тележки применены на магистральных тепловозах с повышенной (4400 — 6000 кВт) секционной мощ­ностью, например, на опытных пассажирских тепловозах ТЭП80, а также скоростных электровозах ЭП200 Коломенского завода и на маневрово-вывозных тепловозах ТЭМ7, ТЭМ14 Людиновского завода, предназначенных для выполнения тяжелой горочной ра­боты.

На отечественных грузовых теплово­зах третьего поколения (2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У, 2М62У, 2ТЭ116, 2ТЭ116У, 2ТЭ116УД,
ТЭ109) применена унифицированная бес­челюстная трехосная тележка с индивиду­альным рессорным подвешиванием (рис. 1).
Индивидуальный привод каждой колесной пары такой тележки осуществляется от тя­гового электродвигателя постоянного тока через одноступенчатый цилиндрический тяговый редуктор.

Опорно-возвращающие устройства тепловоза предназначены: для передачи вертикальной нагрузки от веса кузова с обо­рудованием на тележки; удержания тележек во время движения тепловоза (например, при вилянии экипажа) в положении, при ко­тором ее продольная ось совпадает с осью тепловоза; для обеспечения ограниченного поворота тележек относительно оси кузо­ва при прохождении тепловозом кривых участков пути, а также для возвращения тележек в первоначальное положение при ее отклонении от оси тепловоза.


На отечественных тепловозах нашли практическое применение следующие типы опорно-возвращающих устройств: > роликовые опоры с постоянным воз­вращающим моментом и моментом трения применены на тепловозах ТЭЗ, ТЭ7,2ТЭ10Л, ТЭМ2 и др.; > резино-роликовые опоры — на те­пловозах 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2М62У, 2ТЭ116У, 2ТЭ116УД и др.;

> маятниковые опоры — на тепловозах ТЭПбО и ТЭП70 (№ 1 — 7);

> пружинные опоры — на современных тепловозах ТЭП70, ТЭП70БС, 2ТЭ25А, 2ТЭ25АМ, 2ТЭ25КМ.

Рассмотрим узлы связи кузова и рамы тележки на примере се­рийного грузового тепловоза 2ТЭ116У нового поколения, который поставлялся с 2007 г. на российские железные дороги Луганским заводом. Нагрузка от кузова с оборудованием передается на раму тележки посредством четырех резинометаллических опор 3, рас­положенных на боковинах 1 рамы (см. рис. 1). Каждая из четырех подвижных опор 3 опорно-возвращающего устройства состоит (рис. 2) из литого стального корпуса б, внутри которого находится подвижный механизм, состоящий из верхней опоры 1 и цилинд­рических роликов 9, удерживаемых на опоре обоймами. Нижняя опорная плита 8 подвижного механизма прикреплена болтами к корпусу б опоры, который, в свою очередь, размещен на боковине рамы 7 тележки. Поверхности качения опорных плит выполнены наклонными, угол их наклона составляет 2°.
При движении тепловоза по колее, особенно в кривых участ­ках пути, на поверхности роликов возникают большие контакт­ные напряжения. Для обеспечения эксплуатационной надежно­сти и заданного ресурса работы ролики подвижного механизма изготавливают из легированной стали 40Х и закаливают на глуби­ну до 3 мм до твердости по Роквеллу не ниже HRC 54 — 60.


На верхнюю опору 1 (см. рис. 2) устанавливается упругий комплект, который состоит из семи резинометаллических эле­ментов 2. Каждый такой элемент представляет собой резиновую шайбу толщиной 30 мм, привулканизированную к двум сталь­ным пластинам. Резиновую шайбу изготавливают из резины 7-ИРП-1347. Рабочее положение упругого элемента фиксирует­ся стаканом 3.
Каждый упругий элемент до установки на тепловоз проходит стендовые испытания, при которых определяется его высота под нагрузкой, равной 140 кН. На одну тележку тепловоза подбирают упругие элементы, у которых отклонение высоты под нагрузкой не превышает величину в 1 мм. Этот параметр также можно регу­лировать регулировочной пластиной 4 (см. рис. 2).
Передние (ближние к автосцепке) опоры 3 опорно-возвраща-1 ющего устройства (см. рис. 1) расположены по радиусу 1632 мм относительно центра шкворня 9, задние — по радиусу 1232 мм.

Такое расположение опор сделано для выравнивания нагрузок от колесных пар на рельсы.
Каждая опора выполняет функции опорно-возвращающего устройства и состоит из двух ступеней: нижняя жесткая сту­пень — роликовая опора качения, верхняя упругая — семь резинометаллических элементов. Роликовая опора качения обеспечивает поворот тележки относительно кузова (не более чем на 3 — 4°) и возврат ее в первоначальное положение по­средством наклонных поверхностей опор, по которым перека­тываются ролики.

Важное место в узлах связи тележек и кузова занимает шквор­невое устройство (шкворень). Шкворень предназначен для передачи горизонтальных (тяговых и тормозных) и поперечных усилий от рамы тележки к раме и кузову тепловоза. Он также яв­ляется центром поворота тележки относительно кузова.
Необходимо отметить, что на тепловозах старой постройки (ТЭЗ, М62, 2ТЭ10Л, ТЭМ2 и др.) тележки могли только поворачи­
ваться относительно жесткого шкворня. Шкворневое устройство тележки тепловозов более поздних выпусков (2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У, 2ТЭ116У, 2ТЭ116УД, 2М62У и др.) уже может перемещать­ся в поперечном направлении на ±40 мм (рис. 3).


Это перемещение шкворня улучшает динамику экипажа при прохождении тепловозом кривых участков пути и позволяет обе­спечить более плавное вписывание его экипажа, создает устой­чивое положение тележек под тепловозом (уменьшается эффект виляния). При этом также уменьшается воздействие экипажа на путь и улучшаются динамико-прочностные показатели работы экипажной части тепловозов в целом.
Для уменьшения износа шкворневого узла, работающего в ус­ловиях трения скольжения, его поверхность смазывается осевым маслом с помощью специальной масленки.
Опорно-возвращающее устройство тепловозов
2ТЭ116У ра­ботает совместно со шкворнем следующим образом. При входе тепловоза в кривую его тележка поворачивается вокруг центра шкворня относительно продольной оси тепловоза. При повороте тележки ролики подвижного механизма каждой из четырех опор набегают на наклонные поверхности опорных плит.
Кузов тепловоза под действием центробежной силы Fy6 от кривой радиусом R (Fu6 = V2/R, где V — скорость движения) сме­щается в поперечном относительно оси пути направлении за счет сжатия упругих комплектов опор. При этом максимальное пере­мещение кузова ограничено жесткостью резины комплектов и составляет 20 мм. Затем вступает в работу пружина шкворневого устройства — за счет ее сжатия кузов может перемещаться в по­перечном направлении дополнительно еще на 40 мм.
При вступлении тепловоза на прямой участок пути происхо­дит возвращение тележек в первоначальное (до входа в кривую) положение при действии возвращающего момента от горизон­тальных сил, возникающих от наклонных поверхностей опор и действия пружины шкворневого устройства. Необходимо заме­тить, что кроме возвращающего момента при повороте тележек в опорах возникают силы трения, которые способствуют умень­шению эффекта виляния экипажа при движении тепловоза, в том числе и на прямых участках пути. После прохождения кривого участка пути ролики занимают среднее положение относительно наклонных поверхностей опорных плит.

На бесчелюстных унифицированных тележках отечественных пассажирских тепловозов ТЭП70 (начиная с восьмого номера) и ТЭП70БС (рис. 4) применено опорно-возвращающее устройство, которое состоит из восьми комплектов высоких пружин 1 типа «Флексикоил» второй ступени (по четыре с каждой стороны) и упругого шкворневого устройства с низким расположением шкворня 5.
Возвращающая сила в таком устройстве возникает вслед­ствие сопротивления пружин поперечному сдвигу. Пружины в этом случае выполняют двойную функцию: служат опорами и обеспечивают возврат тележек в первоначальное положе­ние после прохождения тепловозом кривых участков пути.
Перемещение шкворня в поперечном направлении ограниче­но величиной 60 мм. Из них 30 мм составляет свободный ход, оставшиеся 30 мм — за счет деформации пружин шкворневого устройства.
В связи с тем, что шкворневое устройство предназначено для передачи тяговых и тормозных усилий от рамы тележки к главной раме тепловоза, низко опущенный (до уровня осей колесных пар тележки) шкворень 5 смещен относительно средней оси тележки на 770 мм.
Рессорным (упругим) подвешиванием называется совокуп­ность упругих элементов, связанных с передачей вертикальных нагрузок в конструкции экипажной части тепловоза. При движе­нии тепловоза по рельсовой колее рессорное подвешивание вы­полняет следующие функции:

- передает силы тяжести (вес) кузова и оборудования тепло­воза на оси колесных пар;

- смягчает (снижает) динамическое воздействие сил, действу­ющих на локомотив со стороны пути, и гасит вертикальные коле­бания его экипажа;

- более равномерно распределяет вес оборудования локо­мотива между осями колесных пар тележки при сбалансирован­ном подвешивании.
Мы часто говорим, что применение упругих элементов в кон­струкции экипажа смягчает удары, т.е. уменьшает динамическое воздействие неровностей пути на конструкцию локомотива (и членов локомотивной бригады) и виляние колесных пар локо­мотива в колее. Читателю из школьного курса физики известно, что в соответствии с законом сохранения энергии механическая энергия (в том числе удара колес локомотива на стыках рельсов и неровностях пути) может лишь переходить из одного вида энер­гии в другой, но не может исчезнуть или погаснуть.
Почему же все-таки рессорное подвешивание смягчает уда­ры? Любое динамическое воздействие на материальное тело, т.е. сила удара по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение. При постоянной массе соударяющихся тел (экипаж тепловоза и железнодорожный путь) величина силы бу­дет зависеть от ускорения, которое представляет собой скорость изменения скорости. Как уже отмечалось ранее (см. «Локомотив Na 3,2017 г.), при движении тепловоза для его неподрессоренных узлов величина ускорения может достигать величины 10д, а в зимний период, по оценке некоторых специалистов по динамике локомотивов, — 25д. Следовательно, с помощью каких-то техни­ческих устройств надо стремиться уменьшить ускорение.
Как известно, скорость — это путь, пройденный за единицу времени (V = S/t). Если нам удастся растянуть по времени дей­ствия ударной нагрузки, то уменьшатся скорость, ускорение и, соответственно, динамическое воздействие удара на узлы тепло­воза. Увеличить время динамического воздействия одной неровности пути на тепловоз, величина которого достигает нескольких сотен килоньютон (десятков тонн), можно за счет упругих коле­баний подрессоренного веса узлов тепловоза. В этом случае действие ударной нагрузки (энергии удара) распределяется по — времени.
Итак, подведем некоторые итоги. Энергия удара, получаемо­го тепловозом при прохождении стыка рельсов или неровности пути, преобразуется в энергию колебаний (вертикальных пере- — мещений) кузова и тележек посредством упругой деформации элементов рессорного подвешивания.

Эти колебания характеризуются такими параметрами, как амплитуда и частота. Колебания экипажной части тепловоза должны носить затухающий характер, т.е. амплитуда каждого последующего вертикального перемещения упругих элементов рессорного подвешивания (за счет их сжатия или растяжения) должна уменьшаться.
Можно себе представить, насколько утомительной для пасса­жиров была бы поездка в вагоне поезда или работа локомотивной бригады на локомотиве, кузова которых постоянно совершали _ бы незатухающие колебания, не говоря о реальной возможности возникновения резонансных явлений и разрушения конструк­ции узлов подвижного состава. Для предотвращения этих опас­ных явлений в систему рессорного подвешивания современных — локомотивов включают специальные устройства — гасители ко­лебаний.
В качестве устройств, обладающих упругими свойствами, в рессорном подвешивании тепловозов нашли применение: вин­товые пружины, листовые рессоры, резиновые элементы и пнев­матические устройства.
Рассмотрим эти упругие элементы рессорного подвешивания тепловозов.

Ц и л и н д р и ч е с к у ю в и н т о в у ю п р у ж и н у (рис. 5) рессорного подвешивания тепловозов изготавливают из одно­го прутка круглого сечения кремнистой стали марок 60С2А или 65С2ВЛ. Пружины подвергают термической обработке: закалка в масле при температуре 870 °C и отпуск при вторичном нагреве до 460 °C. В результате достигается твердость пружин по Роквеллу _ ненижеНВС42 — 48.

После термической обработки пружины рессорного подвеши­вания тепловозов подвергаются упрочнению наклепом дробью, что улучшает их механические характеристики (например, уста-— лостную прочность) и устраняются мелкие дефекты на их поверх­ности. Заготовки пружин кузовной (второй) ступени рессорного подвешивания тепловозов ТЭП70БС для повышения долговечно­сти перед навивкой дополнительно шлифуют.
Опорные поверхности пружин должны быть плоскими и рас­положены перпендикулярно оси пружины. Для решения этой задачи концы заготовок пружин оттягивают по длине в 3/4 витка.
Поэтому число рабочих витков меньше на 1,5 витка их общего числа. Шаг навивки витков делают таким, чтобы при движении тепловоза при максимальном значении нагрузки на пружину не происходило смыкания ее витков, а между ними оставался зазор _ порядка 3 мм.
К геометрическим параметрам пружины относятся (см. рис. 5,а): средний диаметр пружины D, высота пружины в свобод­ном состоянии h, число рабочих витков п, диаметр прутка d и др.
Пружина деформируется прямо пропорционально нагрузке Р (см. рис. 5,6) и имеет достаточно большой статический прогиб fc r Колебания экипажа в пружине гасятся очень медленно, что обусловлено отсутствием трения между витками. По этой причи­не в конструкциях рессорного подвешивания тепловозов одно­временно с пружинами применяют специальные фрикционные или гидравлические гасители колебаний, резинометаллические амортизаторы или другие типы демпферов (гасителей колеба­ний).

Л и с т о в ы е р е с с о р ы (рис. 6) тепловозов изготавливают из листов рессорной стали марки 60С2 с высоким содержанием _ кремния. Листы рессор подвергают термообработке: закалка в масле при температуре 880 °C и отпуск при вторичном нагреве до 500 °C. К сборке рессор допускаются листы с твердостью по Бринеллю НВ 363 — 432. Минимальная толщина листов рессор — после термообработки должна быть 15,5 мм.
Листовая рессора представляет собой комплект стальных листов, ступенчато уменьшающихся по длине. Верхние (самые длинные) 2 — 3 листа рессоры имеют одинаковую длину и их на- ~ зывают коренными. Комплект листов рессоры охвачен хомутом, который надевают на листы в нагретом состоянии. Для уменьше­ния износа листов рессор в работе и повышения чувствительно­сти к изменению нагрузки поверхности листов смазывают сме- ' сью графита (50 %), солидола (25 %) и машинного масла (25 %).
После изготовления или ремонта рессоры испытывают на изгиб под статической нагрузкой, соответствующей напряжению в ли- _ стах 1000 Н/мм2.

Достоинством листовых рессор является их способность гасить энергию колебаний экипажа за счет сил трения сколь­жения между листами рессор. Однако они, по сравнению с — пружинами, имеют достаточно большой вес и габариты, нечув­ствительны к небольшим по силе ударам и жестко передают их оборудованию тепловоза, имеют небольшой статический прогиб.
К основным характеристикам винтовых пружин и листовых рессор, как и рессорного подвешивания тепловоза в целом, от­носятся: статический прогиб f жесткость Ж и гибкость г.
Прогиб упругого элемента (см. рис. 5,6) под действием веса Р расположенных над ним узлов неподвижного тепловоза назы­вается статическим прогибом fc r Принято, что рессорное подве­шивание грузовых тепловозов должно иметь fCT = 120 — 130 мм, — пассажирских— 150— 180 мм.

Отношение вертикальной нагрузки Р к прогибу fCT называется жесткостью Ж, т.е. Ж = P/fcr По жесткости Ж обычно характеризуют суммарную упругость рессорного подвешивания тепловоза. Иными словами, жесткость представляет собой нагрузку, необходимую для прогиба упругих элементов на единицу высоты (обычно 1 мм).
Иногда для характеристики упругих элементов используется понятие гибкость г элемента, которая является величиной, обрат­ной жесткости, т.е. г = 1/Ж.
Р е з и н о в ы е э л е м е н т ы (виброизоляторы) получили самое широкое применение в экипажной части современных тепловозов. Они предназначены для защиты подрессоренных частей экипажа от высокочастотных вибраций (шумов), а также смягчения ударных нагрузок на экипаж тепловоза. В качестве упругого элемента используют морозоустойчивую и маслостой­кую резину марок 7-НО-68-1 и 7-В-14, которую изготавливают на основе синтетических каучуков. Температурный диапазон рабо­ты этих марок резины составляет от +100 до -55 °C.
Необходимо заметить, что резиновые элементы, изготовлен­ные на основе синтетических каучуков, являются практически несжимаемым материалом, т.е. объем резинового элемента при деформации практически не изменяется. Для того чтобы обеспе­чить заданную величину прогиба резинового амортизатора, ре­зина должна иметь возможность выпучиваться.
В рессорном подвешивании грузовых тепловозов 2ТЭ10У и 2ТЭ116У виброизоляторы установлены под пружинами 7 (см. рис. 1) и имеют вид кольцевых резиновых пластин высотой 20 мм. На пассажирских тепловозах ТЭП60 и ТЭП70 (№ 1 — 7) при­менены полые резиновые конусы, которые выполняют функции шкворневых устройств, точнее маятниковых опор кузова на те­лежки тепловоза.


В опытном порядке ряд секций тепловозов (ТЭ7-001, 2ТЭ10Л-635, ТГМЗБ-2000, ТУ7-0088, 2ТЭ116-184 и ТЭМ7) был обо­рудован п н е в м а т и ч е с к и м рессорным подвешиванием, в котором в качестве упругого элемента конструкторы приме­нили эластичную резинокордную оболочку (пневмоэлемент).
Применение в рессорном подвешивании пневмоэлементов (па­раллельно с цилиндрическими пружинами) позволило обходить­ся без демпферов, улучшить плавность хода тепловоза за счет регулируемого статического прогиба (65 — 180 мм) и уменьшить массу экипажной части тепловоза. В таком типе подвешивания также отсутствует механический контакт и, как следствие, износ подрессоренных и неподрессоренных узлов и деталей экипаж­ной части.
Основные недостатки пневмоэлементов — большие габарит­ные размеры и значительная потеря упругости подвешивания в случае потери давления воздуха в пневматической системе подвешивания. По этим и ряду другим причинам дальнейшее ис­пользование пневмоэлементов в конструкциях рессорного под­вешивания тепловозов было приостановлено.

(Окончание части 16 следует)

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК