В качестве упругих элементов часто применяют
![]() |
цилиндрические пружины с круглым сечением витка (рис. 1.1).
Рис.1.1
По сравнению с листовыми рессорами они позволяют получить необходимые упругие характеристики при меньших габаритах и массах, а в сочетании с гасителями колебаний могут обеспечивать более спокойный ход вагона. Например, замена листовых рессор пружинами с гидравлическими гасителями колебаний в центральном подвешивании тележек современных пассажирских вагонов позволила уменьшить массу и улучшить ходовые качества вагона. Кроме того, пружины проще и дешевле в изготовлении и ремонте, чем листовые рессоры. Цилиндрические пружины с круглым сечением прутка применяют в качестве упругих элементов в рессорном подвешивании тележек современных грузовых и пассажирских вагонов. Для пружин материал должен удовлетворять требованиям статической, динамической и ударной прочности, обладать высоким пределом выносливости, достаточной пластичностью и сохранять свои упругие свойства в течение срока службы пружины.
Опорные поверхности пружин выполняют плоскими и перпендикулярными оси пружины. Для этого концы заготовки пружины оттягивают на длине не менее 2/3 длины витка, чем достигается постепенный переход от круглого сечения к прямоугольному.
Высота оттянутого конца пружины должна быть не более 1/3 диаметра прутка (d), а ширина - не менее 0, 7d.
Конические пружины применяются в случаях, когда требуется получить нелинейную силовую характеристику (нелинейность обеспечивает не периодичность колебаний и уменьшает опасность резонанса). Эти пружины обычно выполняют с постоянным шагом, что облегчает их изготовление. При сжатии пружины витки с большим диаметром деформируются больше и раньше приходят в соприкосновение, что обеспечивает изменение жесткости в процессе сжатия (нелинейность).
Листовые рессоры применяют в подвижном составе редко. Рессоры, как указано выше, сочетают в себе свойства упругих элементов и гасителей колебаний. Однако недостатками таких рессор являются большая трудоемкость их изготовления и ремонта, значительная масса, непостоянная сила трения между листами (например, у новых рессор пассажирских вагонов она равна 6-8% статической нагрузки, а в процессе эксплуатации повышается до 20-25%, что нередко приводит к выключению рессор). Листовые рессоры не смягчают горизонтальные толчки.
Пружины и рессоры изготовляют главным образом из кремнистой стали марок 55С2 и 60С2.
Параметры | Сталь | |
55С2 | 60С2 | |
Содержание элементов, % | ||
углерод | 0,52-0,60 | 0,57-0,65 |
кремний | 1,5-2,0 | 1,5-2,0 |
марганец | 0,6-0,9 | 0,6-0,9 |
хром (не более) | 0,3 | 0,3 |
никель | 0,25 | 0,25 |
медь | 0,20 | 0,20 |
Механические свойства после термообработки | ||
предел текучести, МПа | ||
временное сопротивление разрыву, МПа | ||
относительное удлинение, % | ||
относительное сужение, % |
Упругие свойства рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых характеристик и коэффициентом жесткости (жесткостью) или коэффициентом гибкости (гибкостью). На рис.1.2 показаны простейшие графики силовых характеристик: линейной (рис 1.2а), которую имеет цилиндрическая пружина, и нелинейной (рис.1.2б), типичной для конических пружин.
![]() |
Рис.1.2
Жесткость с упругого элемента численно, равна силе, вызывающей прогиб этого элемента, равный единице длины:
, (1.5)
где Р - внешняя сила, действующая на рессору, Н;
f - прогиб рессоры, м, от силы Р.
Гибкость упругого элемента - величина, обратная жесткости, численно, равна прогибу под действием силы, равной единице.
=
=
(1.6)
В системе рессорного подвешивания упругие элементы могут быть соединены параллельно или последовательно. Рассмотрим три параллельно соединенные рессоры (пружины), нагруженные общей силой Р (рис. 1.3а); рессоры имеют постоянные гибкости соответственно l1, l2, l3, и жесткости с1, с2и с3. Силы, приходящиеся на каждую из рессор, обозначим Р1, Р2, Р3, а прогиб пружин f равен прогибу каждой пружины в отдельности:
f = f1 = f2 = f3. (1.7)
Согласно формуле (1.6) имеем:
Р1 = ; Р2 =
; Р3 =
. (1.8)
Сила Р равна сумме сил, действующих на каждую пружину, т.е.
Р = Р1 + Р2 + Р3. (1.9)
Учитывая равенство прогибов упругих элементов пружин (рессор) и подставляя значения Р1, Р2, Р3 в последнее уравнение, получим
Р = (1.10)
Так как Р = , то
. (1.11)
Формула общей жесткости подвешивания имеет вид:
с = с1 + с2 + с3. (1.12)
Последовательное соединение рессор имеется, например, в тележках двойного подвешивания. Для трех последовательно расположенных рессор, пренебрегая их весом и весом промежуточных элементов, имеем:
f = f1 + f2 + f3; (1.13)
Р = Р1 = Р2 = Р3. (1.14)
Проведя преобразования, аналогичные случаю параллельного подвешивания, получим формулы:
для общей гибкости
+
+
(1.15)
для общей жесткости
(1.16)
или
С = . (1.17)
![]() |
Рис.1.3
В тележках грузовых вагонов применяется одинарное рессорное подвешивание. У большинства тележек пассажирских вагонов имеется двойное подвешивание, т.е. две системы рессор последовательно передающих на колесные пары полезную нагрузку.
Расчет пружин
В эксплуатации пружины и рессоры испытывают сложные переменные нагрузки. Распространенным является условный статический расчет, в котором для определения наибольших напряжений принимают расчетную силу Рр, вычисляемую как произведение статической нагрузки Рст от веса брутто вагона на коэффициент kзп конструктивного запаса прогиба:
Рр = Рст kзп. (1.18)
Под действием внешней силы Р направленной по оси пружины, в любом поперечном сечении витка возникает момент
М = , (1.19)
вектор которого перпендикулярен оси пружины и сила Р параллельна оси пружины. В этом легко убедиться, разрезав мысленно виток пружины в каком-либо сечении и заменив действие верхней части пружины на нижнюю силой Р, приложенной к центру сечения. Вследствие наклона витков пружины, момент М раскладывается на крутящий Мк и изгибающий Ми моменты (рис.1.4):
Мк = cos
; Ми =
sin
(1.20)
Рис.1.4
Cила Р раскладывается на поперечную силу Q = Р cos и нормальную
N = Р sin .
Для вагонных пружин, как правило, , поэтому напряжения от силовых факторов Ми и N малы, и ими можно пренебречь, и не учитывать также влияние кривизны витков на напряжения
от кручения. Более точные расчеты методами теории упругости показывают, что влияние кривизны витков нередко весьма существенно и наибольшие напряжения для внутренней стороны витков составляют
, (1.21)
где h - коэффициент, учитывающий кривизну витков и поперечную силу.
Если при расчете пружины на заданную нагрузку ее размеры получаются слишком большими, то такую однорядную пружину целесообразно заменить многорядной с меньшими диаметрами прутков и пружин.
Рассмотрим двухрядную пружину (рис.1.4), нагруженную силой Р и имеющую следующие параметры: d1 и d2 – диаметры прутков; D1 и D2 – диаметры пружин; np1 и np – число рабочих витков; Р1 и Р2 – нагрузки, приходящиеся на каждую пружину (Р1 + Р2 = Р); - напряжения первой и второй пружин. Для нормальной работы обеих необходимо, чтобы в них возникли одинаковые напряжения
и прогибы f1 = f2. По условию равенства напряжений получим следующее распределение нагрузки между пружинами:
(1.22)
По условию равенства прогибов для пружин с одинаковым модулем сдвига имеем:
(1.23)
Приравнивая правые части двух последних уравнений, после преобразований получим:
. (1.24)
Этому соотношению должны удовлетворять все правильно спроектированные многорядные пружины.
Если у двух пружин индексы одинаковые mn1 = mn2, следовательно, и , тогда уравнение получит вид:
D1 nр1 = D2 nр2, или . (1.25)
Между витками внутренней и наружной пружин предусматривается зазор S3, равный 3-5 мм.
Гасители колебаний.
Гасители колебаний создают диссипативные (рассеивающие) силы, необходимые для рассеивания энергии собственных колебаний и ограничения амплитуд колебаний вагона и его частей.
Гидравлические гасители колебаний, применяемые в тележках пассажирских вагонов, обычно выполнены телескопическими поршневыми. Такие гасители удобны в эксплуатации, имеют незначительную массу и обладают рациональной характеристикой.
Принцип действия этих гасителей заключается в последовательном перемещении вязкой жидкости поршнем через узкие (дроссельные) каналы и всасывании ее обратно через клапан одностороннего действия. При прохождении жидкости через дроссельные каналы возникает вязкое трение, а результате чего механическая энергия колебательного движения вагона превращается в тепловую, которая затем рассеивается.
Такой гаситель колебаний (рис.1.5) состоит из следующих основных частей: рабочего цилиндра 4, поршня 6 со штоком 1, верхнего 7 и нижнего 8 клапанов, корпуса 3 и направляющей втулки 2. Между цилиндром и корпусом образуется резервуар 5. Гаситель заполнен вязкой жидкостью. При движении поршня вниз (ход сжатия) верхний клапан приподнимается, и жидкость из-под поршневой полости цилиндра перетекает в надпоршневую. Однако вследствие движения штока давление в полости рабочего цилиндра повышается, и часть жидкости с большим гидродинамическим сопротивлением перетекает через дроссельное
отверстие нижнего клапана в резервуар. В это время давление жидкости в надпоршневой и подпоршневой полостях цилиндра одинаковое, так как полости соединены между собой через большие отверстия верхнего клапана и поршня. При движении поршня вверх (ход растяжения) верхний клапан закрывается, давление жидкости в над поршневой полости цилиндра повышается и жидкость с большим гидродинамическим сопротивлением перетекает через дроссельные каналы верхнего клапана в подпоршневую полость. Одновременно в этой полости наступает разряжение, так как объем перетекающей в нее из надпоршневой полости жидкости меньше объема под поршневой полости.
![]() |
Рис.1.5
Вследствие этого нижний клапан поднимается, и часть жидкости засасывается в подпоршневую полость из резервуара, заполняя освобожденное штоком пространство. Резервуар гасителя служит не только емкостью для жидкости, вытесняемой штоком из цилиндра, но и сборником жидкости, просачивающейся через кольцевой зазор между направляющей втулкой и штоком. Рабочей жидкостью для гидравлических гасителей колебаний вагонных тележек служат веретенное, приборное и трансформаторное масло, а также другие специальные жидкости. Гасители колебаний конструкции КВЗ-ЛИИЖТ установлены в тележках типов КВЗ–ЦНИИ и КВЗ–5. Гидравлические гасители колебаний могут быть установлены в тележках вертикально, горизонтально и наклонно.