Раздел четвертый
ХОДОВЫЕ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
Глава 8.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ
Ходовыми частями называются элементы подвижного состава, расположенные между кузовом и путевыми устройствами и предназначенные для выполнения следующих основных функций:
- обеспечения необходимой кинематической связи кузова с путевым устройством;
- передачи вертикальных, продольных и боковых сил взаимодействия между экипажем и путевым устройством;
в) преобразования механической работы тягового электропривода в работу, затрачиваемую на движение экипажа.
По назначению ходовые части делят на движущие (ведущие) и поддерживающие (ведомые). Ходовые части первого типа выполняют все три перечисленные функции; ходовые части второго типа — только первые две функции.
Особенности эксплуатации различных видов подвижного состава и их путевых устройств обусловливают значительное разнообразие конструктивных решений ходовых частей. Вместе с тем по функциональному назначению их элементы можно подразделить на две основные группы.
Первая группа объединяет элементы, непосредственно взаимодействующие с путевым устройством. В движущих ходовых частях эти элементы выполняют роль движителей* и передают силы взаимодействия между экипажем и путевым устройством. В поддерживающих ходовых частях они служат только для передачи сил взаимодействия.
* По существующей терминологии под движителем понимают устройство для преобразования работы тягового двигателя в работу, затрачиваемую на преодоление сил сопротивления движению. К движителям относят движущие колеса, гусеничный движитель, гребные колеса и гребные винты, водометы, воздушные винты, реактивные движители и т. д.
Вторая группа элементов ходовых частей образует систему упругого подвешивания (подвеску) кузова и кинематически связывает его с элементами ходовых частей первой группы. В принципе система подвешивания может и не иметь упругих связей, однако на городском пассажирском электрическом транспорте этот тип подвешивания не применяется.
По типу элементов, непосредственно взаимодействующих с путевым устройством (элементов первой группы), ходовые части можно подразделить на колесные и бесколесные (рис. 8.1.).
Преимущественное распространение на городском электрическом транспорте получили ходовые части первого типа.
Бесколесные ходовые части применяются в настоящее время только на экспериментальных конструкциях подвижного состава.
Ряс. 8.1. Принципиальные схемы ходовых частей
а — колесных; б — бесколесных
Основными элементами ходовых частей колесного исполнения (схема а) является система упругого подвешивания (подвеска) 1 и колеса или колесные пары 2. У ходовых частей бесколесного исполнения (схема б) все вертикальные нагрузки G кузова (статическая и динамическая) передаются непосредственно на путевое устройство специальной системой подвески. В качестве такой подвески применяются различные системы воздушного (как показано на схеме), магнитного или вакуумного подвешивания кузова. У колесных ходовых частей вертикальные нагрузки G, боковые направляющие усилия Н и тягово-тормозные силы F передаются на путевое устройство через подвеску и колеса. У бесколесного подвижного состава (схема б) тягово-тормозные силы F создаются специальным движителем 3 (линейный двигатель и др.), а передача боковых сил Н и вертикальных сил G на путевое устройство 4 осуществляется системой подвешивания 1.
Рис. 8.2. Основные типы колесных ходовых частей
а — бестележечные; б — с неповоротной тележкой; в — с одноосными поворотными тележками; г — с двухосными поворотными тележками
Ходовые части колесного исполнения подразделяют на тележечные и бестележечные (рис. 8.2). У подвижного состава бестележечного исполнения (схема а) ходовые части экипажа связаны рамой кузова. Кузов 3 через систему упругого подвешивания 1 опирается непосредственно на колеса 2 экипажа. Такую схему ходовых частей имеют троллейбусы, большинство двухосных трамвайных вагонов и некоторые типы подвижного состава навесных монорельсовых и эстакадных дорог.
Конструкция ходовых частей тележечного подвижного состава более сложная. Его система подвешивания обязательно имеет специальную раму (или конструктивные элементы, выполняющие функции рамы), связанную с ходовыми колесами и объединяющую их в самостоятельный комплект ходовых частей — тележки.
Различают неповоротные и поворотные тележки: одноосные и двухосные.
У подвижного состава на неповоротных тележках (схема б) рама кузова 3 элементами подвешивания 4 связана с рамой тележки 5 и может перемещаться относительно нее только в вертикальном направлении. При этом продольная ось тележки всегда совпадает с осью кузова. У подвижного состава с поворотными тележками кузов опирается на тележки специальными опорами 6 (схемы в и г), на которых тележки могут поворачиваться относительно рамы кузова в горизонтальной плоскости. Нагрузки кузова на подвижном составе с поворотными тележками передаются через элементы упругого подвешивания сначала на промежуточные рамы тележек, а затем через другую группу упругих элементов подвешивания на оси колесных пар.
Двухосные поворотные тележки облегчают вписывание подвижного состава в кривые участки пути и позволяют увеличить его длину и вместимость; на тележках лучше размещаются устройства подвески кузова, тяговых двигателей и тормозных устройств; тележечный подвижной состав имеет более плавный ход.
Направление движения колесных экипажей определяется конструкцией путевых устройств и колес. Экипажи безрельсового транспорта, путевых устройств, направляются управляемыми ходовыми пневматическими колесами, экипажи рельсового подвижного состава — ребордами металлических бандажей ходовых колес или колесных пар, экипажи монорельсового и бирельсового транспорта с пневматическими колесами — специальными горизонтальными направляющими колесами.
Конструкции ходовых частей должны обеспечивать:
- необходимую безопасность движения при установленных скоростях;
- требуемую плавность хода экипажа:
- установку кузова в необходимом положении относительно посадочных пассажирских платформ;
- ограничение бокового крена кузова при движении в кривых участках пути;
- минимальное динамическое воздействие на кузов и путевое устройство;
- минимальное сопротивление движению;
- возможность легкой замены элементов ходовых частей или установленных на них агрегатов (токосъемников, тормозных узлов, агрегатов электропривода и т. д.), подвергающихся износу или требующих периодического обслуживания и смазки.
§ 8.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УПРУГОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Упругим подвешиванием (подвеской) называют систему элементов ходовых частей, предназначенную в общем случае для упругой и кинематической связи кузова с движителями: колесами или колесными парами. Система упругого подвешивания является одним из наиболее ответственных элементов механического оборудования: подвижного состава, так как ее конструкция и состояние непосредственно определяют безопасность движения, плавность хода, а для безрельсовых экипажей, кроме того, и управляемость. Упругое подвешивание в основном обусловливает также величину воспринимаемых кузовом динамических нагрузок.
Независимо от конструкции ходовых частей в состав упругого подвешивания входят в общем случае три группы устройств:
- упругие элементы, которые служат для смягчения динамических нагрузок взаимодействия кузова с колесами экипажа;
- направляющие устройства, предназначенные для передачи продольных, боковых и вертикальных сил взаимодействия кузова и движителей и обеспечивающие заданную кинематику их взаимного перемещения;
- гасители колебаний1 (гасители), обеспечивающие затухание колебаний подрессоренных масс экипажа.
В зависимости от конструкции элементы упругого подвешивания могут выполняться в виде отдельных конструктивных узлов или в виде узлов, выполняющих функции двух или трех элементов подвешивания одновременно. Примером первого конструктивного решения может служить, в частности, подвеска троллейбуса ЗИУ-9. Примером сочетания функции направляющего устройства и упругого элемента является люлька подвешивания тележек трамвайных вагонов МТВ-32 и ЛМ-49. Листовые рессоры в подвеске троллейбусов МТБ-82 и ЗИУ-5 выполняют одновременно функции упругих элементов, гасителей и направляющих устройств.
Элементы упругого подвешивания в зависимости от того, являются ходовые части бестележечными или тележечными, могут по-разному соединять кузов подвижного состава с движителями.
При бестележечной конструкции ходовых частей — это соединение непосредственное. Принципиальная схема такого подвешивания приведена на рис. 8.3, а. Ось колеса 1 через подшипниковый узел связана направляющими устройствами 3 с рамой кузова 2 экипажа. Один конец направляющего устройства 3 связан с кузовом шарнирно, на другой кузов опирается через упругий элемент с жесткостью С2 и гасителем колебаний с коэффициентом демпфирования k2.
Рис. 8.3. Принципиальные схемы ходовых частей
а — бестележечных; б, в — тележечных
1 Гасители колебаний часто неправильно отождествляют с амортизаторами. Под амортизаторами нужно понимать упругий элемент, аккумулирующий и при снятии внешней нагрузки отдающий запасенную энергию деформации. Гаситель же предназначается для гашения энергии деформации: он создает силы неупругого сопротивления перемещению и рассеивает полученную энергию.
Элементы 3, с2 и k2 образуют ступень подвешивания кузова. При применении колес с пневматическими шинами эта система подвешивания имеет фактически две ступени: функции первой ступени выполняют пневматические шины, характеризуемые жесткостью С\ и коэффициентом демпфирования k1 (показаны на рис. 8.3, а пунктиром).
У рельсового тележечного подвижного состава одна группа элементов подвешивания соединяет кузов с рамой тележки, а другая — раму тележки с колесными парами. Наиболее общая схема подвешивания тележечного подвижного состава приведена на рис. 8.3, б.
Колесные пары 4 объединяются рамой тележки 2, которая связана с ними упругими элементами с1 и направляющими устройствами 3 и 5, предназначенными для передачи на колесные пары вертикальных и горизонтальных нагрузок. Направляющие устройства 5 связаны с рамой 2 тележки и представляют собой подрессоренные элементы ходовых частей. Направляющие устройства 3 неподрессорены. Они служат для размещения неподвижных спор подшипникового узла колес или колесных пар и связи их через неподрессоренные элементы 5 с рамой тележки. Неподрессоренные элементы ходовых частей могут быть конструктивно выполнены в виде буксовых узлов или мостовых конструкций.
Упругие элементы с1 вместе с гасителями колебаний k1 и направляющими устройствами 3 и 5 образуют первую ступень подвешивания (буксовое подвешивание). Через вторую ступень подвешивания1, образованную упругими элементами с2 гасителями k2 и направляющими устройствами 6, кузов упруго опирается на раму 2 тележки. В отдельных случаях упругое подвешивание тележечных ходовых частей может и не иметь той или другой ступени подвешивания.
Схема колесных ходовых частей тележечного подвижного состава на пневматических шинах приведена на рис. 8.3, в. Для ходовых частей этого типа характерно применение только второй ступени подвешивания рамы кузова 1 к раме тележки, образованной продольными связями 2 и мостовыми поперечными конструкциями 3. Подвешивание образуют упругие элементы с2, гасители k2 и направляющие устройства 4. Первая ступень подвешивания создается в рассматриваемой схеме за счет упругости пневматических шин (на рисунке она условно обозначена c1 и их демпфирующих свойств, характеризуемых коэффициентом k1. В данном случае шина объединяет в себе упруго-направляющий и демпфирующий элементы первой ступени подвешивания.
Применение пневматических шин в тележечных ходовых частях позволяет упростить соединение продольных связей 2 с мостовыми конструкциями 3, так как в этом случае удается существенно уменьшить воздействие кососимметричных нагрузок за счет значительной упругости шин, выполнить составную раму тележки менее жесткой и легкой и снизить таким образом неподрессоренный вес тележки.
1 Эту ступень подвешивания называют центральным подвешиванием.
Направление движения тележек на пневматических шинах с помощью направляющих колес 5 обеспечивает более мягкое по сравнению с жесткими ребордными ходовыми колесами восприятие направляющих нагрузок Yr от боковой силы Н за счет упруго-демпфирующих свойств направляющих колес 5, которые характеризуются упругостью с3 и коэффициентом демпфирования k3 (на схеме 8.3, в показаны пунктиром).
Тележечные ходовые части с пневматическими колесами применяются на подвижном составе метрополитена, монорельсовых навесных и подвесных дорог, фуникулеров и другого транспорта на специальных путевых устройствах.
Положение кузова относительно колес меняется по высоте при изменении статических или динамических нагрузок подвижного состава. В последние годы начинают получать распространение конструкции подвешивания, обеспечивающие автоматическое поддержание заданного положения кузова независимо от характера изменения внешних сил, действующих на экипаж. Такие системы подвешивания называют регулируемыми в отличие от обычных нерегулируемых.
Рис. 8.4. Принципиальная схема регулируемой подвески
Принципиальная схема регулируемого подвешивания приведена на рис. 8.4. В отличие от нерегулируемого подвешивания пневматический упругий элемент с2 системы регулируемого подвешивания постоянно сохраняет свою высоту над осью колеса 1 за счет изменения давления сжатого воздуха, подаваемого в него из резервуара 5 через регулятор 4. При этом давление воздуха в резервуаре 5 поддерживается компрессором 7 и регулятором 8 постоянным. Регулятор 4 положения кузова, устанавливающий необходимую величину давления сжатого воздуха. В упругом элементе с2, размещен на раме кузова 2 и передачей 6 связан с направляющим элементом 3.
Система упругого подвешивания должна обеспечивать:
- необходимую плавность хода, малые поперечные крены, хорошую устойчивость;
- необходимую величину и характеристику затухания колебаний подрессоренных масс подвижного состава;
- заданную кинематическую характеристику перемещений ходовых частей относительно кузова при колебаниях, необходимую установку колесных пар рельсового подвижного состава в колее, а у безрельсового подвижного состава, кроме того, минимальный износ шин, стабилизацию управляемых колес, правильную кинематику рулевого привода и привода управляемых колес;
- надежную передачу от колес на раму кузова (непосредственно или через раму тележки) вертикальных, горизонтальных и боковых сил взаимодействия;
- удобство компоновки ходовых частей и размещения подвески на подвижном составе;
- прочность и долговечность деталей подвешивания;
- минимальный вес, в частности неподрессоренных частей упругого подвешивания.