Масса локомотива разделяется на подрессоренную и иеподрессореииую. К неподрес-соренным 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). Не-подрессорениая масса, приходящаяся на одни колесио-моториый блок у тепловозов с опорно-осевой подвеской двигателя (тепловозы 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, ТЭМ2 и др.), составляет 4,5-4,6 т. У тепловозов с опорио-рамиым подвешиванием двигателя (двигатель закреплен на раме тележки и значит подрессорен) ие-подрессорениая масса составляет 2,5-2,7 т. При движении тепловоза его подрессоренные н неподрессореиные массы совершают колебания относительно рельсового пути. Причем колебания колесных пар (иеподрессорениых масс) происходят самостоятельно, независимо от колебаний всего экипажа.
В зависимости от направления возмущающих сил колебания экипажа могут вызывать сложные его перемещения в пространстве. У тепловозов 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 тепловоза) вызывается (рис. 171, б) неодинаковым прогибом рессорного подвешивания передней и задней тележек. Поперечная (боковая) качка (колебания экипажа тэокруг 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 коиичиостью 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 кри-иых участках пути необходимо иметь представление о действующих иа колесные пары силах в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Силы, возникающие при вертикальных колебаниях экипажа. Причина возникновения вертикальных колебаний иадрессорного 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 иеподрессоренная 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 подрессорного строения становится устойчивым.
Таким образом, динамические силы в контакте между колесом н рельсом зависят от неподрессореиных 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 надрессориому строению тепловоза. Чем мягче рессорное подвешивание, тем меньшая сила будет передаваться кузову, соответственно меньшее ускорение будет иметь ои 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 надрессориому 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
/1 = 5 1fct-
Статический прогиб 1ст, приведенный в этой формуле, измеряется в сантиметрах; получаемая частота выражается в герцах (числом колебаний в секунду).
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. Она подсчи-тывается по формуле акр = 3,6£/ст где L - длина рельсовых звеньев, м.
Таким образом, чем больше длина рельсовых звеньев н статический прогиб рессорного подвешивания, тем выше критическая скорость. Конструкционная скорость тепловоза выбирается обязательно меньше критической. Неровности иа рельсах могут иметь место ие только иа 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 рельсом является ускорение ш„ колеса в вертикальном направлении.
При движении колеса по неровности ускорение зависит не только от ее характера, ио также и от упругости рельсового пути. На длинных неровностях ускорения вследствие упругости пути могут возрасти в 2-3 раза. Напротив, прн движении по коротким неровностям ускорения колеса иа жестком рельсе могут оказаться выше, чем на упругом. ВНИИЖТом предложена эмпирическая формула для вертикальных ускорений колес на стыках:
сок=/2 + 0,13 з ° \ ц.
\ 1(2<?)2 1
Здесь V - скорость движения, км/ч;
1ц - неподрессореииая масса одной колесной пары, т; g-ускорение свободного падения, м/с2.
Между стыками вертикальные ускорения снижаются примерно в 3 раза. Из приведенной формулы 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. Например, на стыках вертикальные ускорения колесной пары тепловоза 2ТЭ10В с неподрессоренной массой 2ц, равной 4,32 т при скорости 100 км/ч, вычисленные по приведенной выше формуле, равны 6,9#, или 67,7 м/с2. У тепловоза ТЭП60 с 2ц, равным 2,6 т, оии равны 8,8^, или 86,3 м/с2 При этом динамическая составляющая воздействия колеса на рельс в первом случае будет равна 298 кН, а во втором - 228 кН. (Силы инерции получены умножением неподрессорениых масс иа ускорения, выраженные в £). Таким образом, динамическое воздействие колесных пар на рельсы значительно превышает статическую нагрузку и в большей степени оио зависит от значения неподрессорениых масс. Экспериментальные исследования показывают, что ускорения колесных пар тепловозов на рельсовых стыках в среднем достигают 8-10^. Это значит, что каждый килограмм неподрессоренной массы превращается в силу, в 8-10 раз превышающую его вес. Между рельсовыми стыками ускорения иеподрессоренных 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 тепловозы имеют нагрузку от колесной пары иа рельсы 210-230 кН. Планируется также постройка тепловозов 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 иад-рессорного строения. Добавочные усилия обычно оценивают коэффициентом вертикальной динамики Кд, определяемым по эмпирической формуле ВНИИЖТа:
/Сд = 0,1+0,2-^-.
/ст
Коэффициент использования сцепного веса.
Основной закон локомотивной тяги гласит: сила тяги ие может быть больше силы сцепления, т. е. Л<=£^сц. 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 сцениого веса локомотива РСц иа коэффициент сцепления колес с рельсами \|)к. Поэтому возможное максимальное значение силы тяги локомотива тах=Ю000Рсц^к.
Действительное же значение максимальной силы тяги оказывается еще меньше. Дело в том, что нагрузки от колесных пар иа 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 куздва.
Выполнить точную развеску, т. е. разместить оборудование иа тепловозе таким образом, чтобы все оси колесных пар были одинаково нагружены, это сложная задача. Поэтому техническими условиями допускается возможность отклонения нагрузок от колесных пар иа рельсы от расчетных значений, но не более 3 %. У тепловозов, имеющих смешанное расположение тяговых двигателей (развернуты иосиками в разные стороны - тепловозы ТЭЗ, 2ТЭ10, ТЭМ2), при передаче тягового момента происходит разгрузка одних колесных пар и перегрузка других. Этот факт является следствием разного направления усилий иа 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 н' разгрузке других. Реализуемое же значение максимальной силы тяги тепловоза будет определяться наименее нагруженной колесной парой, так как оиа начнет боксовать первой. При развитии боксования срабатывают защита и возбуждение генератора уменьшается либо снимается полностью и сила тяги резко уменьшается. Таким образом, сцепной вес тепловоза недоиспользован.
Отношение минимальной нагрузки от колесной пары на рельсы к расчетной нагрузке, которую находят из условия равномерного распределения массы локомотива между всеми колесными парами тепловоза, называют коэффициентом использования сцепного веса.
Для тепловозов со смешанным расположением тяговых двигателей и с поднятыми до уровня рамы шкворнями коэффициент использования сцепиого веса равен 0,8. У тепловозов типов 2ТЭ10М и 2ТЭ116 тяговые двигатели в тележке расположены друг за другом (гуськом) моторио-осевыми подшипниками в одну сторону. При этом усилия на зубья зубчатых колес у всех трех колесных пар тележек направлены в одну сторону. Это дало возможность повысить у этих тепловозов расчетный коэффициент использования сцепиого веса иа 10-12 °/о, хотя фактически меньше (9- 8%). Чтобы полнее использовать сцепиой вес локомотива, современные локомотивы (ТЭП70, ТЭП75, ТЭМ7) выполняют с низкоопущениыми шкворнями, точки передачи тяговых усилий у которых располагаются на уровне осей колесных пар (рис. 173). При такой конструкции шкворней у локомотива снижается момент, приводящий к разгрузке передней тележки и перегрузке задней.
Движение по кривым. Известно, что при входе в кривую и движении по ней иа локомотив действует центробежная сила, вызываемая изменением направления вектора скорости. Эта сила зависит от массы локомотива, скорости и радиуса кривой с__5е1_
лок~ зда '
где G/g - масса локомотива, т; v -скорость движения, км/ч; R - радиус кривой, м.
Действие центробежной силы Слон создает боковое давление колес иа рельсы (в основном на наружный), а так как сила Слок приложена к центру массы локомотива, находящемуся на некоторой высоте от головок рельсов, то оиа создает и опрокидывающий момент. Для снижения опрокидывающего момента и уменьшения бокового давления иа наружный рельс его укладывают с некоторым возвышением h (ие более 150 мм) против внутреннего (рис. 174) Благодаря этому появляется составляющая нагрузки от массы локомотива Си снижающая значение центробежной силы. Сила Ci = Gh/2S, где 2S - расстояние между кругами катания бандажей.
У тележечного экипажа, имеющего значительную длину, проходимость в кривой обеспечивается благодаря повороту тележек относительно оси кузова на некоторый угол. В рельсовой колее тележка направляется гребнями колесных пар. Расположение тележек в кривой без заклинивания оказывается возмож-
Рис. 173. Схема передачи тягового усилия от рамы тележки к раме тепловоза с помощью низкоопущенного шкворня:
Я? - усилие от трех колесных пар
ным благодаря зазору между рельсами и гребнями бандажей колесных пар. В прямых участках пути номинальное значение суммарного зазора 2а (при новых бандажах) равно 14 мм, а минимальное 2а = 7 мм. В кривых для увеличения зазора делают специальное уширение рельсовой колеи на величину Д рельсовой колеи. При радиусе кривой от 349 до 300 м Д=10 мм, при радиусе кривой 299 м и менее А =15 мм, причем уширеиие в кривой делается постепенно (ие более 1 мм на 1 м кривой). Для обеспечения хороших условий вписывания локомотива в кривые перед ними имеются переходные кривые.
Несмотря иа этн мероприятия вход локомотива в кривые и движение по ним сопряжены с большими усилиями, передаваемыми колесными парами на рельсы. Превышение этих усилий создает угрозу безопасности движения.
Цеитробежиая сила Сдок через шкворневые устройства тележек передается колесным парам. Основная доля силы с-лок воспринимается наружным рельсом через первые по ходу локомотива колесные пары передней и задней тележек. Эти колесные пары называют направляющими, а реакции рельсов на эти колесные пары - направляющими усилиями. Благодаря этим усилиям тележки поворачиваются вокруг мгновенных центров поворота тележек (полюсов) £2. Центры поворота находятся у основания перпендикуляров, опущенных из центра кривой на базы тележек.
При небольших скоростях движения, когда центробежная сила мала, тележки занимают так называемое положение наибольшего перекоса (НП), при этом первая колесная пара тележки прижата к наружному рельсу, а задняя - к внутреннему. При увеличении скорости, а значит и центробежной силы эта передаваемая через шкворень сила повернет тележку вокруг точки контакта первой колесной пары с наружным рельсом и задняя колесная пара отойдет от внутрениего рельса. Положение тележки, при котором задняя колесная пара не прижата ни к внутреннему, ии к наружному рельсам, т. е. не передает боковые давления на рельсы, называют положением свободной1 установки (СУ). При достаточном центробежном усилии (при высокой скорости) тележка будет прижата к наружному рельсу как передним, так и задним колесами. Такое положение тележки называют установкой по хорде, или установкой высоких скоростей (ВС). Схематично на рис. 175 показаны все три возможные положения одной из тележек. Здесь тележка изображена в виде одной линии, а колесные пары точками 1, 2, 3. Внешняя и внутренние дуги изображают колею зазоров в кривой (2а+А). Как видно из рис. 175, положение полюса поворота непрерывно меняется в зависимости от занимаемого тележкой положения. Средняя колесная пара имеет возможность перемещаться в осевом направлении, иначе была бы затруднена установка тележки в рельсовой колее. Осевой раз-
Рис. 174. Положение экипажа прн движении по кривой
Рис. 175. Последовательные положения базы Ь тележки с колесными парами в рельсовой колее (в колее зазоров) при увеличении скорости тепловоза
бег средней колесной пары обычно принимается равным ±14 мм.
Таким образом, движение тележек в кривой можно представить как непрерывную сумму двух движении- поступательного (вдоль касательной к кривой) и еращательного (вокруг центров поворота 12). При повороте тележек вокруг центров й между бандажами колес и рельсами возникают силы трения.
Повороту гележек препятствуют силы трения в опорно-возвращающих устройствах, а также силы, которые обычно называют возвращающими (после выхода из кривых они возвращают тележки в первоначальное положение). Силы 1 рения и возвращающие силы создают моменты относительно шкворней, препятствующие повороту тележек.
Перечисленные выше силы и моменты уравновешиваются внешними силами, т. е. реакциями рельсов (направляющими усилиями У|з). Нарушение этого равновесия неминуемо приводит к сходу локомотива с рельсов. Поэтому обязательно должны быть регламентированы допускаемые боковые усилия ни рельс1 и другие условия, обеспечивающие бе-
Рис. 177. Динамический паспорт локомотива для горизонтальной плоскости
1 Боковое усилие У | меньше направляющего усилия У> (реакции рельса) на силу трения Р между бандажом и рельсом.
зопасное следование локомотива в кривой. Основными оценочными критериями при движении локомотива в кривой являются следующие величины: боковое усилие колес на внутреннюю грань головки рельсов, упрцгое отжатие рельсов под действием этого усилия и радиальное ускорение. Допускаемая величина бокового усилия находится из условия надежного не-всползаиия гребня набегающего колеса иа рельс. Гребни баидажей, направляющие движение колес в рельсовой колее, имеют угол наклона по отношению к подошве рельса у = 70° (рис. 176, а). В точке контакта колеса с рельсом боковое усилие' Y- и нагрузка колеса на рельс П вызывают появление нормальной силы Лг. Сила трения в точке контакта, препятствующая скольжению колеса по наклонной плоскости вниз, равна Nfrp, где 1Тр - коэффициент трения скольжения баидажа о рельс. Вертикальная составляющая этой силы равна Nf TVs\n\. Подъем колеса над головкой рельса облегчается тем, что при положительном угле набегания р. (когда гребень колеса в своем движении стремится пересечь головку рельса) точка .4 контакта гребня направляющего колеса с боковой гранью рельса находится несколько впереди (на размер а) точки Б контакта круга катания бандажа (двухточечный контакт) (рнс. 176,6). При этом колесо, прижимаемое боковым усилием к рельсу, будет стараться всползти на рельс наклонной поверхностью гребня за счет наличия сил трения. Безопасность движения будет надежно обеспечиваться только тогда, когда приподнявшийся гребень колеса имеет возможность соскальзывать вниз. Отношение Y 1П обычно называют критерием безопасности. Это отношение не должно быть больше 0,8. Этот критерий не учитывает боковую упругость рельсов, которая коренным образом может изменить условия всползаиия. Как показывает практика, случаи схода колес с рельсов чаще бывают не от всползаиия, а от потери устойчивости рельсов и расшивки пути из-за значительных боковых усилий. В связи с этим более важным критерием безопасности при движении локомотива в кривой является упругое отжатие наружного рельса у. допускаемая величина которого для рельсов типа Р50 равна 6,5 мм, для Р65 - 6 мм и для Р75 - 5 мм. Превышение этих значений может привести к постепенному
Накоплению остаточных 01жягий, расшивке п«-ти и сходу экипажа с рельсов.
Рельсовая кривая имеет различные неровности в плане, поэтому движение локомотива в кривой имеет динамический характер. Возникающие динамические силы учитываются коэффициентом горизонтальной динамичности. Его величина зависит от скорости движения локомотива, а также от наличия поперечной упругости у связи колесных пар с рамой тележки. Применение упругих упоров в буксач, а также буксовых поводков с резиновыми элементами снижает на 25-30 % динамические горизонтальные силы, а значит и упругое от-жатие.
Рассмотренные выше критерии безопасности являются основополагающими при определении допускаемой скорости движения локомотива в кривой. Решая уравнения равновесия экипажа в кривой, для которой необходимо установить допускаемую скорость, строят зависимость направляющих и боковых усилий от скорости. Эти зависимости обычно называют динамический паспортом локомотива для горизонтальной плоскости (рис 177). Исходя из критерия безопасности (У =0,8/7) по допускаемой величине бокового усилия на рельс определяют допускаемую скорость в кривой, и если величина упругого отжатия при найденном максимальном боковом усилии не превышает допускаемого, ю принятая скорость движения тепловоза в кривой считается установленной
⇐ | Общие сведения | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Устройство тележек тепловозов | ⇒