Регулируемое подвешивание применяется для автоматического поддержания заданного положения кузова независимо от характера его линейных и угловых перемещений при изменении внешних сил, действующих на подвижной состав.
Системы стабилизации положения кузова для перемещений всех видов в основном одинаковы.
Современные системы регулируемого подвешивания обычно контролируют одно из этих перемещений. Принцип работы регулируемой подвески рассмотрен в § 8.3.
Регулируемое упругое подвешивание независимо от изменения нагрузки дает возможность:
- сравнительно просто изменять характеристику подвески, сохраняя постоянным положение подрессоренных частей;
- снизить частоту собственных колебаний подрессоренных частей;
- обеспечить постоянный динамический ход (прогиб) пневматических упругих элементов, улучшая и стабилизируя показатели плавности хода;
- снизить уровень шума и вибраций в пассажирском помещении за счет отсутствия непосредственного металлического контакта между подрессоренными и неподрессоренными элементами.
Обязательным элементом регулируемого подвешивания является пневматический упругий элемент. Регулируемые пневматические элементы могут применяться и в сочетании с элементами других типов. На рис. 11.16 показана схема регулируемого упругого подвешивания сочлененного троллейбуса с использованием в качестве одной ступени листовых рессор.
Рис.11.16. Схема регулируемого упругого подвешивания сочлененного троллейбуса
Пневматическую часть системы составляют компрессор 1, влагоуловитель 2, регулятор давления 3, антиобледенитель 4, резервуары сжатого воздуха 5, вентили включения системы 6. Эта система обеспечивает автоматическую подачу сжатого воздуха в пневматические упругие элементы 7. Пневматические упругие элементы передней и задней осей устанавливаются на балках мостов и работают параллельно с листовыми рессорами 8. Балка ведущего моста троллейбуса связана с кузовом Н-образной рамой, на концах которой установлены пневматические элементы 7. Как и упругие элементы передней и задней осей, они работают параллельно с листовыми рессорами 8 ведущей оси.
Положение секций кузова относительно друг друга и уровня дорожного покрытия в системе подвешивания регулируется автоматически вентилями 6, степень открытия которых определяется просадкой кузовных секций под нагрузкой.
Давление воздуха в пневматическом элементе регулируемого подвешивания может изменяться двумя способами: дополнительной подачей (или выпуском) сжатого воздуха в постоянный объем пневматической системы упругих элементов (изменением массы сжатого воздуха) или изменением объема этой системы без дополнительной подачи в нес сжатого воздуха.
Объем воздуха в упругом элементе может регулироваться изменением объема жидкости (в гидропневматических упругих элементах) или изменением теплосодержания постоянного объема газа в упругом элементе (терморегулирование). Последний способ мало изучен, и его применение ограничено отдельными опытными конструкциями. Наибольшее распространение на подвижном составе городского электрического транспорта имеет регулирование с изменением массы сжатого воздуха.
В зависимости от вида регулируемых параметров системы регулируемого пневматического подвешивания можно подразделить на статически компенсируемые и динамически компенсируемые.
В статически компенсируемых системах подвешивания автоматически поддерживается постоянство положения кузова независимо от изменения его статической нагрузки. В динамически компенсируемом подвешивании положение кузова стабилизируется дополнительно и от воздействия внешних сил динамического характера.
По исполнению системы питания существующие системы подвешивания со статической компенсацией и переменной массой воздуха в упругих элементах могут быть подразделены на системы закрытого типа и системы открытого типа. В системах закрытого типа воздух при уменьшении нагрузки на подвеску попадает из упругого элемента в ресивер, в системах открытого типа — при уменьшении нагрузки выпускается из упругого элемента в атмосферу.
Системы пневматического подвешивания на подвижном составе городского транспорта питаются от специальных источников сжатого воздуха или общей пневматической системы подвижного состава.
На всех видах подвижного состава рельсового и безрельсового транспорта преимущественное распространение получили статически компенсируемые подвески открытого типа. Их применение улучшает ходовые качества подвижного состава при сравнительно невысоких затратах на его изготовление и эксплуатацию. По некоторым зарубежным данным, увеличение затрат на постройку безрельсового подвижного состава с пневматическим подвешиванием не превышает 2—2,5%, а стоимость его обслуживания в эксплуатации обходится не дороже существующего, причем доля стоимости пневматического подвешивания в стоимости всего экипажа уменьшается с увеличением его вместимости. В типажах перспективных конструкций отечественного электрического подвижного состава городского транспорта применение регулируемого подвешивания предусматривается на троллейбусах большой вместимости, а также на вагонах трамвая и метрополитена.
Конструктивные особенности систем регулируемого пневматического подвешивания требуют предусматривать на подвижном составе городского электрического транспорта:
- компоновочные решения или специальные устройства, исключающие чрезмерное уменьшение угловой жесткости подвешивания, связанное главным образом с уменьшением вертикальной жесткости пневматических упругих элементов;
- направляющие устройства, исключающие относительное смещение оснований пневматических рессор в горизонтальной плоскости, поскольку большинство конструкций пневматических упругих элементов способно воспринимать только вертикальные нагрузки;
- гасители (пневматические или гидравлические); фрикционные гасители с постоянной силой трения обычно не применяются, так как при малых амплитудах колебаний они жестко передают динамические усилия на кузов вагона, увеличивая уровень шума и вибраций в пассажирском помещении;
- устройства для очистки воздуха, питающего систему пневматического подвешивания, от масла и пыли и защиты регуляторов положения кузова и пневматических элементов от конденсата;
- средства аварийной автоматики, предупреждающие опрокидывание экипажа при повреждении одного из упругих элементов или выходе из строя источника питания сжатым воздухом.
Параметры системы регулирования пневматического подвешивания должны обеспечивать ее устойчивую работу и исключать возможность появления в ней автоколебаний.
Применение на подвижном составе городского транспорта пневматических упругих элементов связано с уменьшением поперечной угловой жесткости подвешивания. Поперечная угловая жесткость зависимого подвешивания безрельсового подвижного состава повышается за счет уменьшения расстояния от центра крена экипажа до центра тяжести кузова и увеличения поперечной базы опор упругих элементов. Если с помощью этих мероприятий не удается получить достаточной поперечной угловой жесткости, в систему подвешивания включают специальные стабилизаторы крена.
Поперечная угловая жесткость может быть значительно увеличена при переходе на независимое подвешивание, так как кроме компоновочных решений здесь могут быть использованы возможности увеличения угловой жесткости за счет снижения центра крена при соответствующем выборе кинематики подвешивания.
Для уменьшения угла крена применяют также устройства, отключающие часть объема пневматических упругих элементов во время крена. Недостатком таких устройств является значительное ступенчатое увеличение жесткости подвески.
Одним из основных элементов системы автоматического регулирования пневматического подвешивания подвижного состава является регулятор положения кузова. По способу передачи сигнала от датчика положения подрессоренных масс относительно неподрессоренных масс экипажа на управляющий элемент регулятора (воздухораспределитель) регуляторы подразделяют на два типа:
1) регуляторы с передачей сигнала датчика без запаздывания (регуляторы без замедлителя); такие регуляторы реагируют на изменение статической и динамической нагрузок;
2) регуляторы с передачей сигнала датчика с запаздыванием, создаваемым специальным устройством — замедлителем (регуляторы с замедлителем), который задерживает его срабатывание на несколько секунд. Поэтому он реагирует только на изменение статической нагрузки и не действует при колебаниях подвижного состава, обусловленных неровностями пути.
Связь датчика рассогласования с управляющим элементом регулятора положения кузова может быть электрической или механической. Наибольшее распространение на подвижном составе городского электрического транспорта с пневматическим подвешиванием получили механические регуляторы положения кузова с гидравлическим замедлителем, исключающим возможность срабатывания воздухораспределителя при кратковременных динамических изменениях нагрузки на пневматический элемент. Применение таких регуляторов позволяет значительно увеличить быстродействие воздухораспределителя, чем достигается наиболее точная компенсация положения кузова. При этом расход воздуха на регулирование пневматических упругих элементов сравнительно невелик.
На рис. 11.17 показаны регулятор положения кузова с гидравлическим замедлителем (схема а) и его расходная характеристика (схема б). Характеристики регуляторов с замедлителем имеют зону нечувствительности. Перемещение рычага 0 в пределах зоны нечувствительности происходит со скоростью, определяемой настройкой гидравлического замедлителя, благодаря чему создается запаздывание срабатывания воздухораспределителя регулятора.
Отклонение подрессоренных масс 1 экипажа от положения 0—0, заданного настройкой, создает на рычаге 2 привода регулятора усилие, прямо пропорциональное величине прогиба упругого элемента 3 связи 4 регулятора с неподрессоренными частями 5. Рычаг 2 жестко соединен с валиком 6, имеющим два паза. В верхний паз входит зуб полого штока 7, в нижний — зуб блока поршней 8 замедлителя. При увеличении нагрузки на пневматический элемент рычаг 2 поворачивается вверх, перемещая шток 7 и блок поршней 8. Демпферная жидкость из рабочей полости 9 через канал 10, выходное сечение которого регулируется иглой дросселя 11, выдавливается в уравнительную полость 12. Рабочая полость 13 в это время через обратный клапан 14 сообщается с полостью 12. По мере перетекания жидкости выберется зазор между штоком 7 и впускным клапаном 15, последний поднимается штоком со своего седла и пропускает воздух из ресивера в пневматический элемент. При уменьшении нагрузки регулятор работает аналогично: рычаг 2 поворачивается вниз, открывается выпускной клапан 16 и воздух из пневматического упругого элемента выпускается в атмосферу.
Рис. 11.17. Схема регулятора положения кузова с гидравлическим замедлителем (а) и его расходная характеристика (б)
Недостатком регуляторов положения кузова с гидравлическим замедлителем является нестабильность характеристик запаздывания при изменении температуры и утечках демпферной жидкости. Последнее может явиться также одной из причин автоколебаний подвески.
Рис. 11.18. Схема регулятора положения кузова с пневматическим замедлителем
Принципиальная схема регулятора положения кузова с пневматическим замедлителем изображена на рис. 11.18. Когда рычаг 1 привода находится в положении, заданном настройкой, отверстия 2 полостей 3 и 4 замедлителя сообщаются с атмосферой. При уменьшении нагрузки на пневматический элемент рычаг 1 перемещается вниз и поршенек 5 закрывает верхнее отверстие 2. В этом случае полость 3 наполняется сжатым воздухом через канал 6. Когда давление в полости 5 становится достаточным, чтобы преодолеть предварительный натяг пружины 7, поршень 8 штоком 11 приподнимает впускной клапан 9 воздухораспределителя регулятора. Скорость наполнения полости 3 (время запаздывания) регулируется изменением проходного сечения канала 6 иглой дросселя 10 так, что кратковременное закрытие отверстия 2 при колебаниях кузова на пневматических упругих элементах не вызывает срабатывания воздухораспределителя. При увеличении нагрузки и перемещении рычага 1 вверх работа регулятора аналогична описанной выше.
Пневматические регуляторы на подвижном составе городского электрического транспорта стали применяться сравнительно недавно и в настоящее время недостаточно исследованы. В СССР созданы опытные образцы таких регуляторов для вновь проектируемых вагонов метрополитена. Безопасность эксплуатации подвижного состава, оборудованного регулируемым пневматическим подвешиванием обеспечивается в основном параметрами системы питання пневматического подвешивания, а также приборами н устройствами аварийной автоматики.
Принципиальная схема одной из систем аварийной автоматики регулируемого пневматического подвешивания показана на рис. 11.19.
Сжатый воздух от источника питания, через клапан включения 1, редукционный клапан 2, разобщительные клапаны 3 и регуляторы положения кузова 4 попадает в пневматические упругие элементы 5.
Рис. 11.19. Система аварийной автоматики
Разобщительные клапаны 3 предназначены для отключения питания упругих элементов сжатым воздухом при прорыве резиннокордной оболочки. Разгрузочные клапаны 6 соединяют в этом случае полости пневматических упругих элементов с атмосферой, предотвращая перекос кузова.
Для обеспечения стабильности ходовых качеств экипажа с пневматическим подвешиванием, имеющим переменную (в зависимости от нагрузочного режима) жесткость, на некоторых типах опытного подвижного состава с пневматическими рессорами устанавливают гидравлические гасители со специальным клапаном, регулирующим величину сечения дросселей гасителя в зависимости от величины давлення в пневморессоре.
Принципиальная схема гасителя с переменным коэффициентом демпфирования показана на рис. 11.20. Изменение коэффициента демпфирования достигается в этом гасителе тем, что дросселирующее отверстие 1, связывающее верхнюю 2 и нижнюю 3 полости гасителя через канал 4, перекрывается иглой 5. Положение иглы 5, изменяющей проходное сечение канала 1, определяется положением штока 6 замедлителя, связанным каналом 7 с упругим элементом. При изменении давления сжатого воздуха в упругом элементе поршнем 8 перемещаются шток 6 и игла 5. Сечение канала 1 и характеристику перемещения иглы 5 в зависимости от давления в упругом элементе подбирают так, чтобы коэффициент демпфирования не зависел от изменения нагрузки упругого элемента.
Рис. 11.20. Схема гидравлического гасителя с переменным коэффициентом демпфирования