Взаимодействие экипажа с рельсовым путем

53. Взаимодействие экипажа  с рельсовым путем

Масса локомотива разделяется  на подрессоренную и неподрессоренную. К неподрессоренным массам относят массу колесной пары с буксами, часть массы рессорного подвешивания первой ступени (примерно 2/з), около половины массы тягового электродвигателя при опорно-осевом его подвешивании (двигатель опирается одним концом на ось колесной пары, а другим — на раму тележки). Неподрессоренная масса, приходящаяся на одни колесно-моторный блок у электровозов с опорно-осевой подвеской двигателя составляет 4,5—4,6 т. У электровозов с опорно-рамным подвешиванием двигателя (двигатель закреплен на раме тележки и значит подрессорен) неподрессоренная масса составляет 2,5—2,7 т. При движении электровоза его подрессоренные и неподрессоренные массы совершают колебания относительно рельсового пути. Причем колебания колесных пар (и неподрессоренных масс) происходят самостоятельно, независимо от колебаний всего экипажа.

В зависимости от направления  возмущающих сил колебания экипажа могут вызывать сложные его перемещения в пространстве. У электовозов различают следующие основные виды колебаний: подпрыгивание, галопирование, поперечная качка, виляние и боковой относ.

Подпрыгивание (перемещение  вверх и вниз) совершается под  действием периодически изменяющихся вертикальных сил (рис. 171, а), вызывающих колебательное движение надрессорного строения относительно колесных пар. Галопирование (колебание надрессорного строения вокруг поперечной оси у, проходящей через центр тяжести электровоза) вызывается (рис. 171, б) неодинаковым прогибом рессорного подвешивания передней и задней тележек. Поперечная (боковая) качка (колебания экипажа вокруг продольной оси х экипажа (рис. 171, в) возникает вследствие разного по знаку прогиба рессорного подвешивания на одной и другой сторонах тепловоза. Виляние (поперечное перемещение и одновременно вращательное движение относительно вертикальной осн тепловоза в зазорах между колесами и рельсами) возникает вследствие извилистого движения колесной пары, вызываемого коничностью бандажей, и попеременного воздействия упругих сил со стороны рельсов на колеса каждой колесной пары. Боковой относ (смещение экипажа в поперечном направлении) вызывается действием центробежных сил (иногда и сильного ветра).

Колебания локомотива приносят много вреда. Сопровождающие колебательный процесс чрезмерные динамические нагрузки расстраивают путь, нарушают плавность хода, а иногда могут вызывать сход экипажа с  рельсов. Воспринимаемые экипажем динамические нагрузки вредно отражаются на работе тягового оборудования, ухудшают условия  труда локомотивной бригады.

Основными параметрами (характеристиками) всех колебательных  процессов являются: массы, участвующие  в колебательном процес-

Рис. 171. Основные виды колебаний локомотива:

о — подпрыгивание; б — галопирование; в —- поперечная качка

се, размах (амплитуда) колебаний и частота или период колебаний. Количественные показатели этих параметров для колеблющихся в  вертикальном направлении подрессоренных масс характеризуют вертикальную динамику локомотива. Вертикальная динамика локомотива считается хорошей, если он имеет  плавный ход во всем диапазоне  скоростей, т. е. оказывает наименьшее динамическое воздействие иа путь, обеспечивает минимальную утомляемость локомотивных бригад. Горизонтальную динамику характеризуют силы, действующие на рельсы и экипаж в горизонтальной плоскости при прохождении кривых и прямых участков пути, а также поведение экипажа в рельсовой колее (виляине, поперечные броски кузова и т. д.).

Возникающие при колебаниях силы растут с увеличением скорости. Во избежание их чрезмерного роста, при котором создается угроза безопасности движения, следует снижать  скорость тепловоза. Для установления допускаемой скорости движения в прямых и кривых участках пути необходимо иметь представление о действующих на колесные пары силах в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Силы, возникающие  при вертикальных колебаниях экипажа. Причина возникновения вертикальных колебаний надрессорного строения обусловлена различными неровностями рельсового пути. При качении колеса по неровности, например в виде выемки (рис. 172), траектория движения его оси вынуждена повторить эту неровность. При этом центр массы колеса опустится на глубину выемки б с ускорением, значение которого зависит от скорости движения тепловоза. Согласно второму закону Ньютона сила инерции Ря, в данном случае сила воздействия колеса при встрече с «дном» неровности, будет равна произведению падающей массы на ускорение. Если бы на тепловозе отсутствовало рессорное подвешивание, то эта сила была бы огромной, так как во взаимодействии с рельсом находилась бы вся масса, приходящаяся на колесную пару. При наличии рессорного подвешивания в непосредственном взаимодействии с рельсом находится

только неподрессоренная масса. Рессорное подвешивание как бы разделяет массы нижнего и верхнего строения экипажа. Инерционное же перемещение «узова вниз вызовет сжатие упругих элементов подвешивания и инерционная сила погаснет. Сжатые упругие элементы подвешивания после исчезновения дополнительных инерционных сил восстанавливаются за счет внутренних сил упругости. Так как восстановление опять-таки происходит с некоторым ускорением, подрессоренная масса экипажа поднимается выше своего среднего первоначального положения. Дальнейшее движение подрессоренной массы вниз-вверх происходит уже с меньшей силой инерции, амплитуда перемещений постоянно уменьшается и, если бы колеса экипажа больше не встречали неровностей, колебания постепенно бы затухали. Но так как в действительности неровности периодически повторяются, то процесс колебания подрессоренного строения становится устойчивым.

Таким образом, динамические силы в контакте между колесом  н рельсом зависят от неподрессоренных масс и скорости движения тепловоза. Значение динамических сил зависит также от характера неровностей. При движении по коротким неровностям (длина менее 200 мм) на рельсовых стыках динамические силы имеют ударный характер. При длинных неровностях эти силы имеют безударный (инерционный) характер. Наиболее пагубное воздействие на рельсы оказывают ползуны на бандажах колесных пар, получившиеся в результате заклинивания их при торможении. При наличии ползуна движение колес сопровождается ударами, которые могут привести к излому рельсов и бандажа. Поэтому правилами технической эксплуатации строго ограничивается размер ползуна н скорость следования тепловоза до ближайшего депо. Расчеты показывают, что критическая скорость тепловоза, обусловленная безотрывным качением колес с ползуном, равна 19 км/ч. При этом ударная сила в контакте ползуна с рельсом составляет около 180 кН. Эта сила с увеличением скорости возрастает мало, однако для обеспечения безопасности движения тепловоз

должен следовать  до депо одиночным порядком со скоростью  не более 15 км/ч.

В равной степени динамические нагрузки передаются от рельса к колесу, а от колеса через рессорное подвешивание надрессорному строению электровоза. Чем мягче рессорное подвешивание, тем меньшая сила будет передаваться кузову, соответственно меньшее ускорение будет иметь он по отношению к ускорениям колеса, тем с меньшей скоростью будет колебание кузова. Время колебания кузова (период колебания) не зависит от скорости движения. Оно зависит только от характеристик рессорного подвешивания. Полученный колесом со стороны рельса импульс силы (толчок, удар) благодаря рессорному подвешиванию передается надрессорному строению резко смягченным со значительным опозданием. В этом состоит главное назначение рессорного подвешивания — удлинить время воздействия на надрессорное строение толчков и ударов, получаемых со стороны пути.

Критическая скорость и гашение колебаний. Катящиеся  по рельсам колеса получают толчки и удары с частотой, зависящей  главным образом от периодичности  повторения рельсовых стыков. Эту  частоту называют частотой вынужденных  колебаний. Кузов же колеблется с  частотой собственных свободных  колебаний, которая зависит от статического прогиба рессорного подвешивания под  нагрузкой

В случае совпадения частот вынужденных и собственных  колебаний наступает явление  резонанса, при котором резко  возрастают амплитуды колебаний  кузова, а значит и динамические силы. Скорость, при которой наступает  резонанс, называют критической.

Таким образом, чем  больше длина рельсовых звеньев  и статический прогиб рессорного подвешивания, тем выше критическая скорость. Конструкционная скорость тепловоза выбирается обязательно меньше критической. Неровности на рельсах могут иметь место не только на стыках, поэтому явление резонанса может наступить при скорости значительно ниже критической.

Во избежание резонансных  явлений колебания рессорного подвешивания необходимо гасить (затормаживать). Для  этой цели существуют специальные устройства, называемые гасителями колебаний или  демпферами. В рессорном подвешивании, где применены листовые рессоры, дополнительные устройства для гашения  колебаний обычно не требуются, так  как рессора совмещает в себе одновременно упругий элемент и  демпфер.

Ускорение колеса при  движении по неровности пути. Одним  из характерных и удобных параметров для определения динамических сил  в контакте между колесом и  рель-

сом является ускорение  колеса в вертикальном направлении.

При движении колеса по неровности ускорение зависит  не только от ее характера, но также и от упругости рельсового пути. На длинных неровностях ускорения вследствие упругости пути могут возрасти в 2—3 раза. Напротив, при движении по коротким неровностям ускорения колеса на жестком рельсе могут оказаться выше, чем на упругом.

Между стыками вертикальные ускорения снижаются примерно в 3 раза. этого следует, что вертикальные ускорения колесных пар зависят в первую очередь от скорости. Уменьшение неподрессоренной массы несколько увеличивает ускорения колесных пар, но этот факт не столь существенен, так как увеличение неподрессоренной массы ведет к более значительному росту динамических инерционных сил. При этом динамическая составляющая воздействия колеса на рельс в первом случае будет равна 298 кН, а во втором — 228 кН. (Силы инерции получены умножением неподрессоренных масс на ускорения, выраженные в £). Таким образом, динамическое воздействие колесных пар на рельсы значительно превышает статическую нагрузку и в большей степени оно зависит от значения неподрессоренных масс. Экспериментальные исследования показывают, что ускорения колесных пар тепловозов на рельсовых стыках в среднем достигают 8—10g. Это значит, что каждый килограмм неподрессоренной массы превращается в силу, в 8—10 раз превышающую его вес. Между рельсовыми стыками ускорения неподрессоренных масс составляют 2,5—З/з;. Максимальные же значения вертикальных ускорений значительно превышают средние значения (в 2 и более раз).

Вертикальные силы от подрессоренных масс. Статические  усилия колес на рельсы представляют собой нагрузку от массы локомотива, приходящуюся на одну колесную пару. Нагрузка является важнейшей эксплуатационной характеристикой локомотива. Она  определяет ограничение силы тяги по сцеплению. Чем больше нагрузка от колесной пары на рельсы, тем большую силу тяги может реализовать тепловоз. С другой стороны, рост нагрузок увеличивает  напряжения в рельсах. Поэтому, чтобы  уложиться в нормативы по

динамическому воздействию  тепловоза на рельсы при увеличении нагрузки от колесной пары на рельсы, необходимо всемерно стремиться к уменьшению необрессоренных масс и улучшению рессорного подвешивания. Современные электровозы имеют нагрузку от колесной пары на рельсы 210—230 кН. Планируется также постройка электровозов с нагрузкой 250— 270 кН, что потребует коренного улучшения экипажной части этих тепловозов.

Помимо статической  нагрузки, на колесную пару действуют  различные динамические добавочные усилия в результате колебаний надрессорного строения.

Основной закон  локомотивной тяги гласит: сила тяги не может быть больше силы сцепления. Иными словами, если приложенный к колесной паре вращающий момент превысит момент, создаваемый силой сцепления колеса с рельсами, произойдет боксованне и сила тяги резко упадет. Сила сцепления определяется как произведение сцепного веса локомотива РСц на коэффициент сцепления колес с рельсами.

Дело в том, что  нагрузки от колесных пар на рельсы (осевые нагрузки) распределяются между движущимися колесными парами локомотива неравномерно. Эта неравномерность для разных локомотивов различна и зависит от нескольких факторов: от точности развески тепловоза, которая призвана распределить равномерно массу локомотива между осями тепловоза; от расположения тяговых двигателей в тележке; от расположения точки передачи тягового усилия от рам тележек к раме кузова.

Выполнить точную развеску, т. е. разместить оборудование на электровозе таким образом, чтобы все оси колесных пар были одинаково нагружены, это сложная задача. Поэтому техническими условиями допускается возможность отклонения нагрузок от колесных пар на рельсы от расчетных значений, но не более 3 %. У электровозов, имеющих смешанное расположение тяговых двигателей, при передаче тягового момента происходит разгрузка одних колесных пар и перегрузка других. Этот факт является следствием разного направления усилий на зубья зубчатого колеса колесных пар тележки.

Перераспределение нагрузок между колесными парами происходит также в том случае, когда точка  передачи тягового усилия от рам тележек  к раме тепловоза находится выше уровня осей колесных пар. Все перечисленные  факторы приводят к перегрузке одних  колесных пар и разгрузке других. Реализуемое же