23 февраля 2016г.
Известно [1-3], что парк вагонов железных дорог РФ по своему назначению разделяют на три основные группы – пассажирские вагоны, грузовые вагоны и вагоны промышленного транспорта. Наиболее широкое распространение в структуре ОАО «РЖД» получили грузовые вагоны предназначенные для широкого круга проведения работ по транспортировки различных грузов.
Все известные конструкции вагонов независимо от их назначения состоят из пяти основных узлов, а именно: ходовой части, рамы, ударно-тяговых приборов, кузова и пневматического не прямодействующего тормоза. Ходовые части обеспечивают безопасное движение вагонов по рельсовому пути с необходимой плавностью хода и наименьшим сопротивлением движению. Ходовые части монтируют обычно на тележках и наиболее распространѐнными из них являются двухосные тележки конструкции ЦНИИ-ХЗ. На рамах размещается автосцепное и тормозное оборудование и они, воспринимают все основные нагрузки, действующие на вагон. Конструктивно рама выполнена из продольных (хребтовая и боковые) и поперечных (передние, шкворневые и промежуточные) балок. На передних балках рам установлены автосцепки с поглощающими аппаратами. Все вагоны оборудованы тормозным оборудованием, представляющим собой комплекс устройств, создающих сопротивление движению поезда с целью регулирования скорости его движения. [1-3].
Существенным недостатком всех известных конструкций рессорного подвешивания грузовых вагонов является то, что все они, кроме пневматического, не имеют возможности саморегулирования в автоматическом режиме своих жесткостных характеристик в зависимости от внешних динамических воздействий от неровности пути на последние.
По результатам проведенного анализа библиографических и патентных источников разработано перспективное торсионное подвешивание для грузовых вагонов признанное изобретением (Решение ФИПС на выдачу патента на изобретение по заявке №2013116118/11 от 12.09.14г).
Так на Рисунке 1 показан общий вид тележки грузового вагона сбоку и укрупнѐнная часть одного
из буксовых узлов колѐсной
пары вид сверху.
Работает тележка
грузового вагона
следующим образом. Если вагон находится
в состоянии покоя
и не загружен его кузов грузом, его тележка
находится в таком состоянии, как это показано
на Рисунке 1. Предположим, что кузов грузового вагона (на рисунке кузов не показан) оказался
загруженным, то под действием такой нагрузки надрессорная балка 16 переместится по вертикали
на какую-то величину
∆, при этом рычаги 13 получат также перемещения по стрелкам А. Но так как рычаги 13 жѐстко закреплены на упругих стержнях
12, то они произведут
закрутку их на некоторый
угол. Такой угловой поворот упругих
стержней 12 за счѐт наличия на них длиноходовой резьбы
11 позволит втулке
10 получить в шлицах
9 некоторое небольшое поступательное перемещение по стрелке
В. Допустим теперь,
что грузовой вагон находится в движении и на колѐсные пары тележки действуют динамические составляющие усилий, возникающие от неровности пути. В этом случае в какой-то момент времени надрессорная балка 16 переместится на величину
большую, чем перемещение ∆ (см. Рисунок 1). При этом рычаги
13 получат ещѐ большее перемещение по стрелкам
А, а упругие
стержни 12, получив дополнительный угловой
поворот, так же за счѐт наличия резьбы
11 переместят по стрелке
В свои втулки 10. В этом случае рабочая длина упругих стержней
12 уменьшится, и их крутильная жѐсткость
возрастѐт. Поэтому рост крутильной жѐсткости упругих стержней
будет способствовать демпфированию динамических нагрузок, что позволит
повысить плавность
хода грузового вагона.
После исчезновения указанной нагрузки
за счѐт упругих
свойств упругих
стержней 12, последние
возвратятся в исходное положение, а рычаги 13 вновь займут исходное положение, такое , как это показано
на Рисунке 1. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.
Понятно, что предложенная конструкция рессорного подвешивания требует тщательного изучения и расчѐта его основных конструктивных параметров, и поэтому
рассмотрим возможность использования еѐ применительно к универсальному крытому вагону Алтайского вагоностроительного завода модели 11-217 объѐмом 120 м3, который имеет следующие характеристики –
грузоподъѐмность Р = 68 т, тара Т = 24 т, длина
по осям сцепления
автосцепок 2La = 14,73 м, длина рам по концевым
балкам 2Lp = 13,87 м, технический коэффициент тары КТ = 0,35, нагрузка колѐсной
пары на рельс Р0
= 228 кН, конструкционная скорость V = 120 км/ч.
На Рисунке 2 показана расчѐтная схема применительно к одному комплекту
торсионного подвешивания, расположенного, например,
с правой стороны
тележки грузового вагон, торсионы
1 которого длиной l контактируют своими рычагами
2 с надрессорной балкой 3, имеющими длины l1.
Стержни торсионов 1 расположены в пустотелых осях колѐсных пар 6. К рычагам 2 приложены нагрузки,
возникающие от действия собственной массы вагона Pc = (P+T) и при этом на каждую надрессорную балку приходится нагрузка Pc/2. Следовательно, на каждый
рычаг 2 действует внешняя
нагрузка Pc/8. На каждой из тележек
вагона установлено по четыре торсиона
1 с правой и с левой их сторон под надрессорной балкой. Каждый из торсионов 1 имеет диаметр
dТ, который получает
при действии указанных нагрузок угловой поворот
γ при линейном перемещении Δ рычагов 2 также при воздействии на них нагрузок Pc/8. Торсионы имеют крутильную жѐсткость
Ж, определяемую по зависимости:
где: Р – грузоподъѐмность вагона
68,0 т; Т – тара вагона 24,0 т;
G – модуль упругости второго
рода и для материала торсиона
8·104 МПа;
I r – полярный момент инерции торсиона,
I r = 0,1d4 см4.
Для перемещения шлицевых втулок
4, по стержням торсионов 1 служит
длинноходовая резьба 5 выполненная на последних. Приведѐм численный пример расчѐта ряда параметров, характеризующих данную торсионную рессору.
Используя вышеизложенные данные, видно, что на каждую из опор рессорного комплекта действует сила 
Согласно данных работы [1] коэффициент динамики
грузового 4-хосного вагона грузоподъѐмностью 68т составляет КД = 0,46, следовательно, динамическая нагрузка на каждый из торсионов расчетной схемы
составит PД = (11,5 × 0,46) + 11,5 = 16,75т. Тогда крутящий момент, создаваемый такой нагрузкой на
каждый из двух торсионов
составляет Мкр = РД·· l1=16,79·0,3=5,0
т·м, где l1=300 мм и характеризует длину рычага 2 торсиона, принятую конструктивно исходя
из габаритных размеров окна стальной боковины тележки вагона, равного по длине 686мм. Теперь вычислим
диаметр dТ стержня торсиона по зависимости:
где: [t ]- 0,5s E = 0,5·1862=931МПа;
E =1862МПа – предел прочности для стали марки
65С2ВА по ГОСТ14959-79, из которой рекомендуется изготавливать стержни
торсионов [1,2].
Исходя из геометрических характеристик тележки ЦНИИ-ХЗ грузового
вагона, установим конструктивно длину стержня торсиона
l = 400 мм и тогда определим
угол закручивания стержня торсиона
γС от действия статической нагрузки
по зависимости [1,2]
Допустим, что угол α равен 20° и понятно, что прогиб торсиона ΔД под действием динамического воздействия
на торсион с Δс = 43 мм, например, увеличится на 5 мм. Тогда линейное
перемещение траверсы 5 по стрелке В окажется
равным:
Известно [2], что у грузовых
вагонов статический прогиб
рессор не превышает 0,05 м, что ограничено условием сцепления
гружѐных вагонов с порожними. В рассмотренном же нами примере статический прогиб торсиона составил
Δс= 43 мм, что близко по величине
к нормируемому значению.
Для некоторого увеличения Δс торсионной рессоры можно, например,
снизить диаметр еѐ рабочего
стержня до значения 60 мм. Теперь произведѐм расчѐт касательных напряжений, возникающих в стержне
торсиона при суммарном γΣ по зависимости:
Видно, что оно больше величины ранее установленного допускаемого значения
[η] = 931МПа. Понятно, что этом случае на значение η существенное влияние оказывает длина торсиона l и поэтому выберем
еѐ равной 700 мм и проверим еѐ на прочность по вышеуказанной зависимости:
Следовательно, в этом случае условие прочности
выполнено. Для данного примера можно окончательно установить геометрические характеристики торсиона для каждого элемента, входящего в рессорное подвешивание тележек, а именно: диаметр
стержня торсиона dT = 65 мм, длина рычага торсиона
l1 = 300 мм, длина рабочей части стержня торсиона
l =700 мм.
При
таких геометрических размерах,
определим статический угол закручивания стержня торсиона γС’ и статический прогиб его Δс’ по зависимостям:
Видно, что статический прогиб при l = 700 мм выше, чем его нормируемая
величина для грузовых вагонов и равная 50 мм, а это говорит о том, что плавность
хода грузового вагона будет выше в сравнении с плавностью хода его при длине рабочей части торсиона равной 400 мм, несмотря на то, что нормативная величина
прогиба стала выше на 19 мм.
Результаты исследования рекомендуются отечественным и зарубежным научным
и производственным структурам проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению грузовые
вагоны для возможного внедрения разработки в практику.
Список литературы
1.
Вершинский С.В и др. Динамика вагона. М.: Транспорт, 1972.-304с.
2.
Шадур Л.А, Челноков И.И. Вагоны.
М.: Транспорт, 1965.-365с.
