Основные характеристики рессорного подвешивания.

К основным характеристикам рессорного подвешивания относят жесткость ступеней, суммарную жесткость, степень демпфирования, распределение демпфирования по ступеням. Часто вместо жесткости указывают прогиб под статической нагрузкой, приходящийся на ступень (статический прогиб).

Статический прогиб ступени подвешивания

(2.80)

где Р_СТ — нагрузка на ступень подвешивания; ж_ст — жесткость ступени подвешивания.

При двухступенчатом подвешивании вводят характеристику суммарного статического прогиба:

(2.81)

где δ_СТ1 — статический прогиб первой (нижней) ступени подвешивания; δ_СТ2 — статический прогиб второй (верхней) ступени подвешивания.

Суммарный прогиб рессорного подвешивания для различных локомотивов рекомендуется в соответствии с «Нормами для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм» (далее «Нормами») принимать не менее значений, представленных в табл. 2.12.

Рекомендуемый суммарный статический прогиб рессорного подвешивания
Тип локомотива	Конструкционная скорость, км/ч	Суммарный статиче­ский прогиб, мм
Пассажирский
Грузовой
Вывозной
Маневровый		90—100

 

Во второй ступени рессорного подвешивания рекомендуется размещать 70 % суммарного статического прогиба.

Статический прогиб и распределение его по ступеням уточняется при расчетах и экспериментах. Низкая собственная частота колебаний надрессорного строения устанавливается не менее 0,8— 1,0 Гц. При более низких частотах может происходить расстройство вестибулярного аппарата человека, вызывающее укачивание.

Допустимость принимаемого статического прогиба локомотива при двухступенчатом подвешивании проверяется на условие ограничения валкости (крена) кузова на рессорах по формуле

 

(2.82)

где δ_СТ — расчетный статический прогиб подвешивания; 2b₁ и 2b₂ — поперечные расстояния между упругими элементами первой и второй ступеней, соответственно, h_с — высота центра масс кузова над осью колесной пары; χ — отношение прогиба первой ступени подвешивания к общему прогибу δ_СТ.

Гашение (диссипация) энергии колебаний осуществляется как в самих элементах подвешивания, так и в специально предназначенных для этого элементах — гасителях колебаний. В зависимости от физической природы диссипации силы гашения подразделяют на три основные группы.

Фрикционные силы гашения характеризуются постоянной силой трения F_Tр, знак которой зависит от скорости ż относительной деформации соответствующего элемента:

(2.83)

где F_TP0— абсолютная величина силы трения; signż — нелинейная функция Кронекера, аналитическое выражение которой:

(2.84)

График этой функции изображен на рис. 2.57.

Из выражения (2.85) и графика, видно, что постоянная сила трения F._тp фрикционного гасителя, подключенного параллельно упругому элементу, меняет знак при перемене знака скорости. Это происходит в момент изменения направления движения кузова или тележки. Например, сила трения буксового фрикционного гасителя тепловоза 2ТЭ116 направлена вниз при движении рамы тележки относительно колесной пары вверх и наоборот.

Гидравлические силы гашения пропорциональны скорости относительных перемещений:

(2.85)

где β— коэффициент пропорциональности (коэффициент сопро-тивления гасителя колебаний).

Необходимую величину силы трения фрикционных гасителей колебаний ориентировочно можно определить при помощи так называемой зоны трения δ_тр, которую обычно берут равной 0,005 м. Для ступени подвешивания

(2.86)

где ж — жесткость упругих элементов подвешивания, параллельно с которыми работает фрикционный гаситель.

 

 

 

Если прогиб подвешивания при колебаниях надрессорного строения становится равным или меньшим, чем зона трения, то рессорное подве-шивание блокируется, т.е. не работает.

Необходимую величину демпфирования гидравлическими гасителями колебаний оценивают безразмерным коэффициентом демпфирования D.

Для одноступенчатого подвешивания

(2.87)

где т — масса подрессоренной части локомотива; ж_ст — жесткость рессорного подвешивания ступени; β_ст — суммарный параметр гидравли-ческих гасителей ступени.

В зависимости от величины статического прогиба безразмерный коэффициент демпфирования принимается равным D= 0,2—0,4.

Для двухступенчатого подвешивания

(2.88)

где m₁и m₂ — массы подрессоренных частей кузова и тележек соответственно; ж₁ и ж₂ — жесткости первой и второй ступеней подвешивания соответственно; β₁ и β₂ — параметры гасителей первой и второй ступеней подвешивания соответственно; δ_ст1, δ_СТ2,δ_СТΣ — статические прогибы первой, второй ступеней подвешивания и суммарный соответственно; f — низшая собственная частота системы.

Собственные частоты системы;

(2.89)

 

где

Для тепловоза ТЭП70, у которого величины m₁ =36 300 кг, m₂ ⁼ 75 970 кг, ж₁ = 19,8-10⁶ Н/м, ж₂ = 7,136-10⁶ Н/м, собственные частоты подпрыгивания равны f₁= 1,26 Гц, f₂ = 4,58 Гц.

У локомотива без необходимого демпфирования в подвешивании при критической или близкой к ней скорости могут появиться высокие амплитуды колебаний, вызванные резонансом, что может привести к сходу с рельсов.

На стыковом пути у рельсов одинаковая длина L_р, поэтому у колесной пары период возмущающей силы (ударов на стыках) при скорости движения ν постоянен и равен:

(2.90)

при резонансе T_р = Т_с,

где – период собственных (свободных) колебаний.

Откуда следует, что скорость, при которой наступает резонанс, равна:

(2.91)

Если взять длину рельса в м, ускорение свободного падения — в см/сек², а статический прогиб — в см, то критическая скорость локомотива ν_кр , при которой наступает резонанс, можно определить по формуле:

(2.92)

Отсутствие трения в подвешивании даже в зоне докритических скоростей приводит к продолжительным незатухающим колебаниям.