Тележки с повышенной
динамической жесткостью
для высоких осевых нагрузок

На ходовые свойства подвижного состава и обусловленные ими такие негативные эффекты, как вибрация, шум и т. д., в значительной степени влияет динамическая жесткость всех узлов тележки. Не учитывая это, сложно решить проблему создания тележек для повышенных осевых нагрузок. Эксплуатационные испытания новых тележек АМ-II и Y25, у которых увеличена динамическая жесткость ряда узлов, показали, что существует реальная возможность повышения осевых нагрузок.

Динамические свойства колес

Скорость движения, осевые нагрузки, некруглости поверхности катания колес и неплоскостность поверхности катания рельсов являются причинами возникновения динамических нагрузок. Собственные колебания колес и осей определяются конструкцией тележки. Осевые колебания колес имеют низкую собственную частоту и большую амплитуду. Динамическая жесткость колес, определяемая формой и толщиной колесных дисков, в осевом направлении невелика. Она может быть повышена: при этом увеличится частота собственных колебаний и снизится их амплитуда.

При торможении с помощью чугунных колодок амплитуда колебаний увеличивается и, следовательно, возрастают неблагоприятные динамические нагрузки на колесную пару в целом. Высокие внутренние напряжения, как возникающие в колесах при их изготовлении, так и обусловленные нагревом обода при торможении, негативно влияют на напряженное состояние колеса и могут привести к потере его формоустойчивости.

Динамические свойства
оси колесной пары

В последние годы стремятся изготавливать все более легкие и тонкие оси колесных пар. В таких осях возникают изгибные и крутильные колебания низкой частоты с большими амплитудами. Деформации, создаваемые изгибными колебаниями осей, больше, чем вызываемые крутильными колебаниями.

 

Рис. 1. Наиболее вероятные гармонические составляющие колебаний колеса (слева) и колесной пары (справа)

Анализ экспериментально выделенных наиболее вероятных гармоник колебаний показал, что узлы основных колебаний (1А, 2А, 3А на рис. 1) располагаются вне поверхности напрессованных колес или смонтированных буксовых подшипников колесной пары. Это возможно только в том случае, если колебания колес и подшипников возникают одновременно с колебаниями оси колесной пары. Колебания обода напрессованного колеса могут быть боковыми и вертикальными.

 

Рис. 2. Схемы, поясняющие колебательное движение обода колеса относительно рельса

Измерениями, проведенными в условиях эксплуатации, установлено, что наибольшие амплитуды колебаний обода колеса приходятся на область низких частот, соответствующих собственным колебаниям оси колесной пары (1В, 2В, 3В на рис. 1). Колебательные движения обода колеса и перекатывания относительно рельса схематично представлены на рис. 2 и 3.

 

Рис. 3. Схема, поясняющая движение обода колеса по поверхности рельса

Повышение динамической жесткости оси колесной пары может быть достигнуто увеличением ее диаметра d. При этом масса оси возрастает пропорционально d², а жесткость — пропорционально d⁴. Возможность увеличения динамической жесткости путем изменения формы оси невелика. Более значительное снижение массы дает применение полых осей; но их изготовление требует повышенных затрат.

Частота собственных колебаний оси колесной пары зависит от дополнительных масс (динамическая чувствительность). Так, если частота собственных колебаний оси без других деталей составляет 170 Гц, то после напрессовки колес она снижается до 100 Гц. Установка тормозных дисков вызывает дальнейшее снижение собственной частоты до 85 Гц. Таким образом, повышение массы (увеличение диаметра колеса или массы обода, установка тормозных дисков, элементов передачи тягового привода) приводит к снижению частоты собственных изгибных колебаний оси.

Из теории динамики известно, что при постоянном ускорении линейное снижение частоты собственных колебаний сопровождается квадратичным увеличением амплитуды колебаний. Например, при снижении частоты собственных колебаний со 100 до 70 Гц, амплитуда удваивается.

Если частота собственных изгибных колебаний превышает 100 Гц, колебания тележки в целом уменьшаются. В случае необходимости установки на оси колесной пары тормозных дисков или редуктора динамическая жесткость этой оси должна быть увеличена, даже если при этом возрастет ее масса.

Влияние рессорного подвешивания
и жесткости рамы тележки

Колебания опорных шеек оси можно рассчитать исходя из величины и направления кинематических возбуждений, действующих на раму тележки через систему рессорного подвешивания (рис. 4). Создаваемая пружиной рессорного подвешивания сила может быть выражена как F = sc и F = ma, откуда

где s — амплитуда колебаний пружины; с — жесткость пружины; m — масса рамы; а — ускорение рамы.

 

Рис. 4. Симметричное (S) и асимметричное (A) кинематическое возбуждение колесной пары

Таким образом, ускорение рамы тележки обратно пропорционально ее массе и пропорционально жесткости и амплитуде колебаний пружины. С точки зрения динамики ускорение рамы должно быть минимальным. Если невозможно уменьшить колебания опорных шеек, следует снизить жесткость рессорного подвешивания и увеличить массу рамы тележки.

Приведенную зависимость можно было бы считать справедливой, если бы рама представляла собой неупругое твердое тело. В действительности же это не так. Известно, что частота собственных колебаний рамы тележки лежит в диапазоне 5 – 14 Гц, в котором амплитуды колебаний значительны. Следовательно, наряду с массой важную роль играет динамическая жесткость рамы тележки.