Полимерные материалы на зарубежных жд - Резиновые надбуксовые рессоры

Резиновые амортизаторы и уплотнители
Резиновые надбуксовые рессоры.

На железнодорожном подвижном составе зарубежных дорог важное место в устройствах амортизаторов самых различных типов и назначений в качестве конструкционного материала занимают различные резины. Резиновые элементы в амортизирующих устройствах являются эффективным средством снижения вибраций как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях и уменьшают затраты по содержанию ходовой части подвижного состава.
Исследования по совершенствованию амортизаторов в устройствах рессорного подвешивания экипажной части подвижного состава путем использования резин проводятся зарубежными железными дорогами в послевоенные годы весьма интенсивно [83, 86]. В эксплуатации проверяются свойства амортизаторов разных конструкций и проводится поиск их оптимальной формы, жесткости и т. п. Исследованиями установлено, что эффективным является размещение резиновых пакетов между буксами колесных пар и рамами в конструкциях многих вагонных и локомотивных тележек (рис. 29, 1).
Некоторые предложения по созданию таких надбуксовых рессор с резиновыми или резино-металлическими элементами получили за последние годы довольно широкое практическое применение на подвижном составе железных дорог Англии, ГДР, Италии, США, Франции, ФРГ, Японии и других стран. Резиновые или резино-металлические рессоры по сравнению с металлическими имеют следующие преимущества: резина обладает упругими, виброгасящими и звукопоглощающими свойствами (т. е. один элемент осуществляет одновременно несколько функций); создается возможность упругого пространственного восприятия усилий с передачей их во всех направлениях; создается возможность исключения трения между взаимодействующими с резиной металлическими деталями, что снижает износ сопряженных деталей или сводит его к минимуму; исключается внезапный аварийный излом деталей; уменьшается вес конструкций; упрощается обслуживание и ремонт.
Однако большим недостатком резиновых амортизаторов является отсутствие данных о предельных параметрах резин, их усталостных характеристиках, чувствительности к изменениям температуры, релаксационных явлениях. Поэтому расчеты резиновых рессор сложны и длительное время выполнялись на основе методов подобия. При этом расчету предшествует экспериментальное определение оптимальной конфигурации амортизаторов, подбор рецептур резин, позволяющих получать определенные модуль упругости и твердость материала, гистерезис и т. п. свойства. Все это сопровождается изготовлением и испытанием большого количества опытных образцов элементов с отбором оптимальных. В амортизационных устройствах подвижного состава резина работает под динамической нагрузкой в сложных условиях силового воздействия, изменяющихся температур, влажности, атмосферных осадков, масел, солнечного света и других факторов.

Рис. 29. Тележка трамвайного типа, оборудованная рессорами типа «Меги» из резино-металлических пакетов

Рис. 30. Схемы наиболее распространенных типов надбуксовых рессор с резиновыми элементами:
а —«Меги»; б — «Найдхарт»; в — «Крупп»; г — «Клоутс»; д — «Краус-Маффей; е — «Глокенфедер»

На зарубежном подвижном составе известно несколько конструкций применяемых в настоящее время буксовых резиновых амортизаторов для вагонных и локомотивных тележек. Наиболее распространены типы: «Меги», «Краус-Маффей», «Найдхарт», «Крупп», «Клоутс», «Элиго», «Глокенфедер» и др. (рис. 30).
Большие экспериментальные работы по изучению резиновых упругих элементов рессорного подвешивания проведены на железных дорогах Англии, ГДР, ФРГ, Франции, США и других стран. Одним из направлений исследования было создание конструкций, в которых резиновые элементы устанавливаются в систему буксового подвешивания вместо металлических пружин [85].
В Англии на осевых буксах применяют шевронные резино-металлические рессоры «Металастик». Наклонно нагружаемые резиновые элементы таких рессор работают одновременно на сдвиг и сжатие, что является наиболее благоприятным вариантом. Резиновые амортизаторы «Металастик» широко распространены на подвижном составе Английских железных дорог. Широко применяют их и на подвижном составе других стран. Ими же оборудованы, в частности, и вагоны Лондонского метрополитена (рис. 31).
Конструкция шевронных рессор «Металастик» идентична конструкции немецких рессор типа «Меги». В Англии в 1965 г. ими было оборудовано около 2000 вагонов пригородных поездов Лондона. Они установлены также на моторвагонных секциях серии АМ-10, на швейцарских шестиосных электровозах серии Ас 6/6 весом 123 т (на трехосных тележках) и др.
Рессоры типа «Меги» широко применяют на пассажирских, трамвайных вагонах и вагонах метрополитена (рис. 31—33). В ГДР, например, еще в 1958 г. ими было оборудовано около 700 трамваев. Рессорами «Меги» оборудованы трамвайные вагоны в Штутгарте, Мангейме, Карлсруэ и др. Они установлены на вагонах метрополитена Берлина, Гамбурга, Мадрида, Осло, Роттердама и других городов.

Рис. 31. Тележка вагонов Лондонского метрополитена с резинометаллическими надбуксовыми рессорами типа «Меги»

Рис. 32. Тележка пассажирского вагона с надбуксовыми резинометаллическими рессорами типа «Меги»

Рис. 33. Тележка моторного вагона электросекции Финляндских железных дорог с рессорами типа «Меги»
Резиновыми рессорами типа «Меги» в странах Западной Европы оборудуются также вагоны некоторых серий пассажирских пригородных поездов и локомотивы маневрового типа. В ФРГ с такими рессорами эксплуатируются пассажирские вагоны, имеющие тележки типа «Меги» и типа TR-90. На Итальянских железных дорогах их применяют на автомотрисах постройки фирмы «Фиат», в Финляндии на вагонах электропоездов (рис. 33).
На некоторых пассажирских вагонах железных дорог ФРГ применяются надбуксовые рессоры «Краус-Маффей», рассчитанные на нагрузку до 22 т на ось (рис. 34), типа «Клоутс» и типа «Батра» (Франция, Бельгия). В Японии в небольших количествах применяются цилиндрические многослойные резино-металлические рессоры типа «Элиго». Конструкция рессор этого типа состоит из комплектов резиновых дисков или шайб с металлической армировкой или без нее. Меняя размеры и количество элементов в комплекте, можно регулировать упругие характеристики рессор и получить нужные, наиболее отвечающие условиям их эксплуатации.
На зарубежном подвижном составе имеется немало конструкций рессорного подвешивания, предусматривающих совместную работу комплекта металлических пружин и резиновых элементов. На рис. 35, а приведена схема надбуксовой рессоры, состоящей из стальной пружины 1, завулканизированной в резиновом элементе 2, на рис. 35,б —  стальной пружины 1, работающей совместно с резиновым элементом колокольного типа 2. Подобного рода устройства имеют вагоны электропоездов серии 5000 Японских железных дорог, серийные вагоны на 80 мест железных дорог Швейцарии, итальянские автомотрисы типов AZ и 800, западногерманские пассажирские вагоны типа X облегченной конструкции с тележками Минден-Дейц, бельгийские трамвайные вагоны типа РСС и др. Устройства эти применяются в буксовой ступени подвешивания, но в вагонах поездов «Мистраль» (США) они предусмотрены во вторичном подвешивании опор кузова на тележку. У этих вагонов спиральные пружины установлены в резиновые гнезда [35].
Применение в буксовом подвешивании резиновых рессор объясняется стремлением уменьшить вес неподрессоренных частей с одновременным получением более стабильных величин жесткости сопряжения шейки оси колесной пары с рамой тележки, что, снижая динамические воздействия, повышает плавность хода, обеспечивая тем самым комфорт проезда пассажиров. При этом считается, что наилучшим решением, вероятно, будет применение резино-металлических рессор призматической формы, составленных из прямоугольных пластин типа «Меги». Их относительную жесткость в каждом направлении можно сравнительно легче рассчитать, а затем изменять путем изменения углов опорных площадок [83].
Имеются десятки зарубежных патентов, выданных за последние 10—15 лет на конструкции тележек рельсового подвижного состава, в которых предусматривается использование резиновых элементов в рессорном подвешивании.
На зарубежных дорогах применение резиновых рессор типа «Меги» и др. в буксовой ступени подвешивания рассматривается весьма перспективным для вагонов метрополитена, пригородных и других поездов, имеющих сравнительно невысокие скорости (до 100 км/ч) и наибольшие осевые нагрузки [83].

Рис. 34. Схема рессоры типа «Краус-Маффей» тепловоза вспомогательной службы (ФРГ) с нагрузкой на ось 22 т

Рис. 35. Схемы надбуксовых рессор.

Рис. 36. Тележка с боковыми резино-металлическими шевронными рессорами системы «Металастик»

В подвижном составе, предназначенном для скоростного движения, резиновые буксовые амортизаторы рекомендуется использовать совместно с металлическими рессорами в комбинации с резино-пневматической системой центрального подвешивания экипажа.
Интересна конструкция вагонной тележки Глоусестер Металастик, созданной в Швеции. Она рассчитана на нагрузку на ось до 25 т. В этой тележке боковины рамы воспринимают усилия от шкворневой балки через четыре шевронносоединенные резиновые пружины (рис. 36). Двухлетний опыт эксплуатации более 300 вагонов на железных дорогах Западной Африки и Малайзии с такими тележками показал надежность их работы при слабом верхнем строении пути. На базе такой конструкции в США созданы тележки для высокоскоростных грузовых контейнерных платформ, предназначенных для эксплуатации в составах скоростных поездов [83].
Запатентовано также рессорное подвешивание под названием auer Metakone, совмещающее резиновые и пневматические рессоры (рис. 37), предназначенное, главным образом, для вагонов метрополитена и пригородных поездов.
Наилучшей для амортизаторов буксового подвешивания считается композиция резины на основе хлоропренового каучука с минимальным содержанием сажи. Добавление сажи в различных пропорциях является способом регулирования таких характеристик резин, как модулей упругости и сдвига, твердости и т. п. Твердость резины для таких амортизаторов рекомендуется в пределах 60—65 единиц по Шору, ударная упругость ≈60-70%, прочность при растяжении та 200 кг/см².                                                                                                                                        

Рис. 37. Схема подвешивания вагона с пневматическими рессорами:
1 — высоторегулирующий клапан; 2 — распределитель подачи воздуха в пневмооболочки; 3 — пневмооболочки; 4 — воздушный регулировочный клапан; 5 —компрессор

Под воздействием длительных переменных нагрузок и времени у всех типов резин в некоторой степени меняются показатели характеристик, в том числе появляется нежелательная остаточная деформация. Установлено, что высота резинового амортизатора изменяется до 0,4% начального прогиба на каждый градус по Цельсию изменения температуры с полной обратимостью. Это основное свойство не может быть изменено. Сохранение упругости при низких температурах является самым серьезным требованием к резине, работающей в системе подвешивания подвижного состава [84].
За последние 6—7 лет в эксплуатацию поступило много локомотивов и вагонов с резино-металлическими, шевронными, буксовыми рессорами, обеспечивающими прогиб от порожнего до полностью загруженного состояния в пределах от 54 до 76 мм.
Пневматические резиновые рессоры. В последние годы в зарубежном вагоностроении все большее внимание уделяется вопросам улучшения амортизации подвески экипажной части подвижного состава. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования и разработки по созданию и испытаниям конструкций пневматических, а также смешанных — пневматических, пружинных и гидропневматических рессор. Подтверждается это и расширением масштабов применения таких систем рессорного подвешивания на зарубежном железнодорожном подвижном составе [84, 86, 89, 90, 91]. Использование их рассматривается как дальнейший значительный шаг совершенствования железнодорожного подвижного состава, улучшающий его динамические характеристики и обеспечивающий не только более высокий уровень комфорта, но и больший срок службы оборудования подвижного состава. В связи с постоянным ростом скоростей движения поездов этот вопрос приобретает весьма важное значение. Решение его на большинстве зарубежных дорог осуществляется использованием для основных элементов амортизирующих устройств полимерных материалов.
Теоретические положения, характеристики и подробное описание конструкции подтверждают значительные преимущества пневматических рессор с резиновыми деталями [91].
В числе проверенных зарубежными дорогами в эксплуатации бесспорных достоинств пневматических рессор является совмещение одновременно упругих и гасящих свойств амортизатора. При этом создается возможность автоматического изменения жесткости с регулировкой ее в зависимости от
величины нагрузки, что важно для пассажирских вагонов, например, пригородного сообщения, в которых резко меняется число пассажиров.
Такими рессорами благодаря действию высоторегулирующих клапанов, независимо от воспринимаемой экипажем нагрузки обеспечивается постоянная высота кузова относительно головки рельса. Они улучшают поперечную устойчивость кузова, снижая одновременно величину вибрации и уровень шума. Пневматические рессоры при незначительном весе лучше обеспечивают вписывание экипажей в кривые на больших скоростях движения, при этом пассажиры почти не испытывают действия центробежной силы [89] (рис. 38, 39).
К недостаткам пневматических рессор относятся сложность их конструкций, большое число регулирующих клапанов, необходимость периодического подкачивания воздуха, а также большая по сравнению с пружинными рессорами стоимость. Несмотря на это, применение их на зарубежных железных дорогах с каждым годом заметно расширяется.
Существует несколько отработанных и проверенных в эксплуатации конструкций таких рессор, получивших широкое внедрение. По масштабам применения этих устройств ведущее место занимают железные дороги Японии, где они по существу стали стандартными на электроподвижном составе и пассажирских вагонах скоростных поездов государственных и частных железных дорог.
Известно о применении таких рессор, хотя и в меньших масштабах, на вагонах железных дорог Англии, США, ФРГ, Испании, Франции [91, 92].
Из большого числа конструкций рессор этого типа наиболее отработаны и более широкое распространение получили рессоры диафрагменного типа и торроидальные (баллонные) с пневмобаллонами из резинокордной оболочки (рис. 40, 41).

Рис. 38. Схема положений кузова вагона на пневмоподвешивании: а — на прямом участке пути; б — при вписывании в правую кривую; в — при вписывании в левую кривую

Рис. 39. Схема пневматических рессор: а — тороидального типа с одним баллоном; б — диафрагменной
Оболочки тороидальных рессор выполняются из нескольких слоев прорезиненной кордной ткани, вулканизованной по методу вулканизации автомобильных шин. Рессоры улучшенной конструкции, применяемые на японских дорогах, имеют четыре слоя корда из синтетических тканей.

Рис. 40. Рессоры тороидального пневмобаллонного типа, установленные на тележке пассажирского вагона фирмы MAN (ФРГ)

Рис. 41. Пневмобаллонная трехвитковая торроидальная рессора для тележек типа KS-51

Первоначально для оболочек использовалась резина на основе натурального каучука, однако после длительной эксплуатации такие оболочки растрескивались и теряли герметичность. В последнее время их выполняют из резины на хлоропреновом и других синтетических каучуках. Такие оболочки работают более пяти лет без повреждений.
Существуют конструкции двух- и трехвитковых баллонов с деталями из стеклопластика, обычно цилиндрической формы, диаметром от 300 до 600 мм.
Грузоподъемность баллонов рассчитывается на 3—4 т, рабочее давление от 4 до 6 кг/см². В последнее время созданы баллоны грузоподъемностью до 6,5 т.
В Японии на государственных железных дорогах пневматические баллоны вагонов пригородных и дальних поездов широко применяются более 10 лет. К 1967 г. в эксплуатации находилось более 3000 единиц подвижного состава с пневматическим рессорным подвешиванием. В настоящее время в основном весь парк пассажирских вагонов Японии оборудован пневматическими рессорами [91]. Они установлены на тележках вагонов пригородных электропоездов, на вагонах электропоездов-экспрессов с тележками ДТ32, ДТ34 (поездов «Кадома», «Асоказе» и др.), а также на тележках типа TR203 грузовых вагонов.
Первые серийные конструкции рессор выполнялись тороидальными — баллонного типа (трехвитковые) (рис. 42). Характеристика их приведена в табл. 8.

Рис. 42. Пневматическая диафрагменная японская рессора типа «Сумирайд»:
а — общий вид; б —схема устройства; 1 — эффективный диаметр; 2 — внешний диаметр; 3 — высота установки

Характеристика баллонных пневматических рессор торроидального типа

Как показала практика, некоторые конструкции рессор баллонного типа оказались недостаточно устойчивы против продольных динамических воздействий. Этот недостаток почти полностью устраняется в современных диафрагменных рессорах типа «Сумирайд» (рис. 43), используемых в Японии в вагонах поездов на скоростной магистрали Новая Токайдо, в вагонах электропоездов серий 5000, 103 Токийского метро. Эти рессоры внутри имеют резиновый уплотнитель, предохраняющий от утечки воздуха. Обычно рессорное подвешивание кузова вагона представляет собой комбинацию пневматических и пружинных рессор. Суммарный статический прогиб кузова при использовании в системе первичного буксового подвешивания пружинных рессор и во вторичном — рессор типа «Сумирайд» достигает 300 мм. Допустимое внутреннее давление 5 кг/см². В табл. 9 приведена характеристика рессор «Сумирайд» диафрагменного типа.

Рис. 43. Тележка типа с пневматическими рессорами типа «Сумирайд» вагонов электропоездов Японских железных дорог
Основные данные рессор «Сумирайд»

В США пневматические рессоры тороидального типа начали серийно применяться в 1963 г., при постройке пассажирских вагонов на тележках типа «Пионер III» (рис. 44). К 1968 г. ими было оборудовано свыше 1000 вагонов. Распространение их продолжается. В 1969г., например, с рессорами этого типа было изготовлено более 600 вагонов электропоездов с системой пневмоподвешивания для железных дорог Делавеа Рива Порт Офорити, Чикаго Транзит Офорити и других [91].

Рис. 44. Тележка вагона «Пионер III» с пневматическими рессорами тороидального типа

На вагонах скоростных экспрессов «Метролайнер» также было применено пневматическое подвешивание [92]. При постройке вагонов были использованы торроидальные рессоры типа Файерстоун. Конструкция этих рессор допускает нагрузку 6 и 9,7 т. Эффективные площади их соответственно равны 1000 и 1945 см². Рессоры этой конструкции под разными названиями производятся и применяются на подвижном составе железных дорог Италии, ФРГ, Франции и других стран. Вагоны новой постройки с тележками типа «Пионер III» и с пневморессорами экспортируются США в Канаду, Бразилию и другие страны.
Трехвагонные газотурбовозы, рассчитанные на конструкционную скорость до 257 км/ч, построенные в США, также оборудованы пневмобаллонами во вторичном подвешивании. Они эксплуатируются на железной дороге Нью-Хавен. Комбинированное, резиновое и пневматическое подвешивание установлено на вагонах электропоездов, строящихся для пригородного сообщения Нью-Йорка. Эти вагоны рассчитаны на скорость до 116 км/ч [96].
В ФРГ также осуществляется практическое применение и проводятся широкие исследования и эксперименты в области использования на подвижном составе пневматических рессор. Такими рессорами оснащены тележки типов LEN и MAN (рис. 45). Еще в 1950 г. ими было оборудовано 120 автомотрис типа «Фердингер». Пневматические рессоры в ФРГ производят несколько фирм. Некоторые из них выпускают рессоры преимущественно тороидального типа, с одним баллоном, различной грузоподъемности. Например, тип 643N допускает нагрузку 4,4 т, тип 619N — 5,5 т, тип 671N — 11 т.
Пневмоподвешиванием в ФРГ оборудованы вагоны новых электропоездов серии 420, построенные в 1969 г., и трехвагонные дизель-поезда серии VT 624/924, причем в первичном подвешивании использованы резиновые элементы.
В ГДР пневматическими трехбаллонными рессорами тороидального типа оборудованы автомотрисы на тележках типа LVT и некоторые пассажирские вагоны, построенные на вагоностроительном заводе Баутцен. Ходовая часть тележки этих вагонов имеет систему первичного подвешивания, оборудованного пружинами, расположенными горизонтально.
Во Франции пневморессорами типа «Сумирайд» снабжены тележки вагонов пригородных поездов 420, 426 (рис. 46). Тележки конструкции «Альстом» с пневматическими рессорами имеют вагоны типа МР55 Парижского метрополитена.

Рис. 45. Тележка пассажирского вагона фирмы MAN (ФРГ) с пневматическими рессорами баллонного типа

Рис. 46. Схема тележки типа У26Р на французских вагонах пригородных поездов с пневматическими рессорами типа «Сумирайд»:
1 - высоторегулирующий клапан; 2 — кронштейн под шкворневой балкой кузова; 3 — роликовая букса; 4 — поперечный гаситель колебаний; 5 — балансир боковины — стабилизатор поперечной устойчивости тележки; 6 — стабилизатор продольной устойчивости; 7 — дополнительный резервуар пневморессоры; 8 — пневморессора типа «Сумирайд»; 9 — тормоз Вестингауза Р60; 10 — эластичный шкворень; 11 — рама тележки; 12 — первичное подвешивание

В Канаде в 1967—1968 гг. построены турбопоезда для скоростного сообщения Монреаль—Торонто. Поезда состоят из семи вагонов, каждый из которых имеет пневматические рессоры во вторичной ступени подвешивания. Поезда курсируют со средней скоростью 135 км/ч при допускаемой максимальной скорости до 225 км/ч.
В Швеции пневматическими рессорами оборудованы вагоны новых дизель-поездов, построенных в 1968 г., а также вагоны облегченной конструкции Стокгольмского метрополитена [93]. В Швейцарии пневмобаллонами оборудованы тележки вагонов типа SWR-58. В Италии производится строительство 70 сочлененных трехвагонных электросекций пригородного сообщения, состоящих из вагонов, у которых первичное подвешивание экипажей на тележках выполняется из резиновых шевронных, а вторичное — из пневматических рессор [96].
На железных дорогах Англии пневматическими рессорами оснащены некоторые пассажирские вагоны, оборудованные тележками типа В-4. Тележки такой конструкции имеют по четыре рессоры диафрагменного типа, диаметром 560 и высотой 190 мм.
Во всех перечисленных случаях на тележках пассажирских вагонов пневмобаллоны устанавливаются во вторичной ступени подвешивания. Как правило, параллельно с пневмобаллонами подключены резиновые элементы или автономные демпферы.
Оснащение пассажирских вагонов пневматическими рессорами, широкие исследования и экспериментирование в этой области, проводимые многими зарубежными дорогами, показывают явную тенденцию современного вагоностроения к использованию во вторичном подвешивании пневматических рессор вместо традиционных пружинных, выполнимую путем применения для этих целей полимерных материалов. Такое подвешивание в сочетании с монолитными резиновыми элементами или с металлическими пружинами в первичном подвешивании обеспечивает лучшие характеристики вагонов и высокую безопасность движения [91].