сотрудник
Елец, Липецкая область, Россия
сотрудник
Елец, Липецкая область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
Разработаны практические рекомендации по модернизации рессорного подвешивания кузова тепловоза 2ТЭ25К. Использованы современные методики расчёта адаптивных торсионных рессор, что позволило обосновать рациональные геометрические характеристики центрального подвешивания кузова тепловоза. Предложенные направления по модернизации центрального подвешивания кузовов тепловозов позволят повысить плавность хода локомотивов, улучшить условие труда локомотивных бригад.
упругий стержень, шлицы, пружина сжатия, кузов
Введение
В практике широко используется тепловоз 2ТЭ116, состоящий из кузова, установленного на раме, которая с помощью опорно-возвращающих устройств взаимосвязана с рамами тележек. Рамы тележек также соединены с помощью шкворневого узла с кузовом тепловоза (рис. 1).
Рамы тележек через рессорное подвешивание соединены с буксами колесных пар, составляющих вместе с тяговыми электродвигателями колесно-моторные блоки, которые через опорные приливы соединены с рамами тележек. Для повышения плавности хода тепловоза 2ТЭ116 в конструкции тележек предусмотрена установка фрикционных амортизаторов. Несмотря на свою эффективность использования, такой тепловоз обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что он имеет одну степень рессорного подвешивания, причем последняя совместно с фрикционными амортизаторами не может в автоматическом режиме изменять свои жесткостные характеристики. Это не позволяет эффективно производить гашение колебаний экипажа при его движении, как на прямых, так кривых участках рельсового пути [4].
Рис.1. Общий вид тепловоза2ТЭ116
Известен тепловоз 2ТЭ25К выпускаемый БМЗ, который имеет две ступени рессорного подвешивания, расположенного как в буксовых узлах, так и в зоне контакта кузова тепловоза с тележками, представляющего собой центральное подвешивание (рис. 2) выполненное в виде комплектов цилиндрических винтовых пружин сжатия.
Рис. 2. Центральное подвешивание кузов тепловоза 2ТЭ25К
Для гашения колебаний кузова у тепловоза используются гидравлические гасители колебаний, установленные между рамой и кузовом. Несмотря на свою эффективность использования, такое центральное подвешивание обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что оно не имеет возможности изменять в автоматическом режиме свои демпфирующие характеристики. Недостатки тепловоза 2ТЭ25К подобны описанным для тепловоза 2ТЭ116 [2-8].
Описание перспективной конструкции тепловоза
Учитывая важность проблемы по обеспечению нормативной плавности хода тепловозного парка как отечественного так и зарубежного, в Агропромышленном институте и СКБ ЕГУ им. И. А. Бунина совместно с кафедрой ЭиЛ МИИТ по заказу ВНИИКТИ (г. Коломна) проводится широкомасштабная НИР. Одним из разделов является изучение причин, связанных с использованием устройств, обеспечивающих необходимую плавность хода локомотивов с разработкой конкретных предложений по обеспечению такого явления.
По результатам проведенного анализа большого числа патентных отечественных и зарубежных источников, разработана перспективная конструкция центрального подвешивания, которая признана изобретением (RU2606409). Описана конструкция центрального подвешивания, позволяющая в автоматическом режиме изменять свои жесткостные характеристики и производить гашение колебаний кузова тепловоза. Этот эффект достигается тем, что каждой из тележек в продольной их плоскости на одинаковом расстоянии относительно оси симметрии, проходящей через шкворни, расположены упругие стержни, одни концы которых снабжены рычагами, взаимодействующими с днищем кузова, а другие шлицами, подвижно размещенные в опорах, жестко закрепленных на тележках. Каждый из упругих стрежней своими шлицами взаимосвязан с ответными, выполненными в стаканах квадратного сечения, подвижно установленных в одних из опор. Во внутренних полостях стаканов размещены винтовые пружины сжатия, контактирующие как с внутренними их торцевыми стенками, так и с торцами упругих стержней. Каждый из стаканов, имеющих внешние торцевые наклонные поверхности, взаимодействует с сухарями клиновой формы подвижно установленных в направляющих, жестко закрепленных на тележках. Их поверхности, обращенные в сторону кузова, контактируют с упомянутым днищем кузова тепловоза.
а) б)
с) в)
Рис. 3. Конструкция тележки по патенту RU2606409
Так на рис. 3 показана одна из тележек тепловоза - вид сбоку (а), принципиальная схема центрального подвешивания тепловоза (в), укрупненный узел центрального подвешивания тепловоза вид сбоку (с) с разрезом его деталей и сечение по АА.
Тепловоз состоит из кузова 1, контактирующего с рычагами 2, жестко закрепленными на упругих стержнях 3, подвижно установленных в опорах 4, жестко смонтированных на раме тележки 5. Упругие стержни 3 также подвижно размещены в неподвижных опорах квадратного сечения 6, жестко закрепленных на раме 5, в которых подвижно установлены подобного сечения стаканы 7, взаимодействующие шлицами 8 со шлицами 9, выполненными на упругих стержнях 3. Между торцами упругих стержней 3 и стаканами 7 размещены цилиндрические винтовые пружины сжатия 10. Стаканы 3 имеют наклонные поверхности 11, взаимодействующие с сухарями клиновой формы 12, примыкающими к кузову 1 также как и рычаги 2. Сухари клиновой формы 12 расположены подвижно в направляющих 13, жестко закрепленных на раме 5. Рама 5 с помощью рессорного подвешивания 14 соединена с колесными парами 15, связанными с тяговыми электродвигателями 16. Колесные пары 15 перемещаются по рельсовому пути 17. Рама тележки 5 соединена с кузовом 1 шкворнем 16.
Работает тепловоз следующим образом. При установке кузова 1 на тележку рычаги 2 всех четырех упругих стрежней 3 (рис. 2) располагают примерно под углом α=450 к горизонту, при этом угловую деформацию упругие стержни 3 не получают, иными словами они не деформированы при таком положении рычагов 2. Затем кузов 1 опускают на тележку, который фиксируется шкворнем 16, при этом, упираясь в кузов 1, рычаги 2 располагаются под углом порядка α=300. В статике тепловоза их положение не изменяется. Понятно, что при этом упругие стержни 3 так же получат угловую деформацию и окажутся в напряженном состоянии, но в таком, что не теряют своих упругих свойств и не получают остаточной деформации. Предположим, что тепловоз получает движение по стрелке В и, преодолевая неровности пути, совершает колебания кузова 1 относительно рамы 5, амплитуда таких колебаний будет незначительна. Так, при колебаниях подпрыгивание все четыре рычага 2 получат дополнительное угловое перемещение в отличие от вышеуказанного α=300, при этом упругие стержни 3 так же получат угловой поворот в этом же направлении. Одновременно сухари клиновой формы 12 переместятся в своих направляющих 13 по стрелкам Е что позволит стаканом 7 получить перемещение по стрелкам F , сжать свои цилиндрические винтовые пружины сжатия 10 и уменьшить тем самым рабочую длину упругих стержней 3 с lдо l1 (рис. 3). Тогда крутильная жесткость упругих стержней 3 возрастет, что позволит демпфировать такое перемещение кузова 1. Такой процесс подтверждается известной зависимостью [5]:
где: 
; Jρ - момент инерции сечения стержня; d - диаметр стержня; 
.
После исчезновения динамической нагрузки, вызвавшей угловой поворот рычагов 2 и движение по стрелке Е сухарей клиновой формы 12, указанные детали возвращаются в исходное положение, как это показано на рис. 3. При боковой качке кузова 1 тепловоза относительно тележки 5 процесс увеличения упругих стержней 3 подобен выше описанному, с той лишь разницей, что в восприятии таких колебаний участвуют не все устройства, а только их пара, расположенная слева или справа чертежа. При этом упругие стержни 3, расположенные слева на рис. 3,увеличивают свою крутильную жесткость, а находящиеся справа наоборот - ее снижают. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.
Расчёт параметров перспективной конструкции центрального подвешивания
Для расчёта основных геометрических параметров предложенной конструкции центрального подвешивания тепловоза с возможной привязкой её на тепловоз 2ТЭ25К, которая состоит из винтовых цилиндрических пружин сжатия (рис.2), принята следующая известная методика [2,10].
Известно, что каждая секция тепловоза 2ТЭ25К имеет две тележки, состоящие из рамы, колёсных пар, букс, рессорного подвешивания, тягового привода и тормозной системы. В этом случае на каждой из тележек тепловоза в продольной их плоскости на одинаковом расстоянии относительно оси симметрии, проходящей через шкворни, будут расположены по четыре упругих стержня (торсиона). Одни концы снабжены рычагами, взаимодействующими с днищем кузова тепловоза, а другие шлицами, подвижно размещенными в опорах и жестко закрепленными на тележках (рис. 3).
Приведем пример численного расчета геометрических и кинематических параметров таких упругих стержней (адаптивных торсионных рессор) центрального рессорного подвешивания, выполненного в следующей последовательности. Исходя из того, что на одну тележку тепловоза действует реальная статическая нагрузка 67,8 т, то к рычагам 2 (рис. 3) каждого из упругих стержней будет приложена сила Nст=67,8/4 = 16,95 т. Тогда рабочая нагрузка Nд (динамическая) к каждому из нихс учётом коэффициента динамики 0,25% при скорости V =160км/ч составит в данном случае 21,18 т. Следовательно, суммарная нагрузка на каждый из рычагов составит NΣ= NCT+ Nд = 16,95 + 4,23 = 21,18 т. Определим численное значение крутящего момента, приложенного к упругому стержню по зависимости Мкр = NΣl1 = 21,18·0,32 = 6,77 тм. Вычислим диаметр упругого стержня по известной зависимости [10]:
,
где: [τ] = 600 МПа согласно ГОСТ 14959-79, соответствующая материалу сталь 65С2ВА;
l1 - длина рычага упругого стержня принята равной 320 мм.
Согласно сортамента на прокат, для изготовления упругого стержня окончательно назначим его диаметр, равный 60 мм. Исходя из конструктивных соображений, зададимся длиной рабочей части упругого стержня l = 600 мм, тогда угол закручивания торсиона при статическом нагружении составит:
.
Проверим торсион по условию прочности на кручение по зависимости:
Следовательно, прочность торсиона обеспечена, так как τ ≤ [τ]. Определим перемещение рычага упругого стержня, а, следовательно, и экипажной части тепловоза от действия статической нагрузки по формуле:
Как было отмечено выше, движение тепловоза 2ТЭ25К, с учетом неровностей пути со скоростью 160 км/ч, вызывает дополнительную нагрузку = 21,18 т на упругий стержень, сопровождающуюся колебаниями его кузова. При этом за счёт контакта сухаря клиновой формы 12 с стаканом 7 (рис. 3) длина упругого стержня снизится с 600 мм до 550 мм, тогда угол закручивания упругого стержня в этом случае составит:
.
Перемещения от такого динамического нагружения будут:
Видно, что перемещения экипажной части тепловоза в динамике снизились на 10,3мм. Это произошло за счёт увеличения крутильной жёсткости упругого стержня, которая увеличилась с Жс до Жд в 1,65 раза, что видно из формул:
.
Для возврата в исходное положение упругого стержня (рис.3) подобраны геометрические характеристики возвратной пружины 10, которые равны и выбраны из известного источника [2]. Рабочая нагрузка пружины Рпр = 800 Н; наружный диаметр пружины Dпр = 20 мм; диаметр проволоки витка пружины dв= 4 мм; длина пружины h= 200 мм; шаг пружины t= 8 мм; материал пружины – Сталь 60 С2, пруток по ГОСТ 14959-79.
Для автоматизации расчётов с применением ЭВМ, разработана программа с использованием языка Delphi, позволяющая проектировать предложенное рессорное подвешивание для других типов локомотивов.
Заключение
Результаты исследования переданы руководству Елецкого участка Белгородского центра ОАО «РЖД», а так же рекомендуются отечественным и зарубежным научным и производственным структурам, проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению магистральные тепловозы для возможного внедрения разработки в практику.
1. Железнодорожный транспорт. Энциклопедия. Гл. ред. Н.С. Конарев. М.: Большая Российская Энциклопедия, 1994. 540с.
2. Камаев А.А. [и др.]. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов: учеб. для студентов ВУЗов / под. ред. А.А. Камаева. М.: Транспорт, 1981. 263с.
3. Конструкция и динамика тепловозов / под. ред. В.Н. Иванова / 2-е издание доп. М.: Транспорт, 1974. 264с.
4. Филонов С. П. Тепловоз 2ТЭ116. М.: Транспорт, 1985. / Архивировано 21 ноября 2015 года. Архивная копия от 21 ноября 2015 на Wayback Machine.
5. Абрамов Е.Р. Тепловозы серии 2ТЭ116 и их разновидности // Локомотивы и моторвагонный подвижной состав с двигателями внутреннего сгорания отечественных железных дорог. М., 2015. С. 108 - 121.
6. Раков В. А. Грузовые тепловозы 2ТЭ116 // Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза 1976-1985. М.: Транспорт, 1990. С. 73 - 77.
7. Раков В. А. Тепловоз 2ТЭ116 и его модификации // Локомотивы отечественных железных дорог 1956 - 1975. - М.: Транспорт, 1999. С. 164-166.
8. Spiryagin, M., Cole, C., Sun, Y.Q., McClanachan, M., Spiryagin, V., McSweeney, T. // Design and simulation of rail vehicles / (2014) Design and Simulation of Rail Vehicles, pp. 1-311.
9. Lei, X., Noda, N.-A. / Analyses of dynamic response of vehicle and track coupling system with random irregularity of track vertical profile / (2002) Journal of Sound and Vibration, 258 (1), pp. 147-165.
10. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970. - 544с.
11. Беляев А.И., Ткаченко В.П. Выбор параметров передаточных механизмов для комбирированного тягового привода // Вестник ВНИИЖТ. 1980. №1. С. 23-27.
