Для гашения колебаний или ограничения амплитуд колебаний в основном применяют два типа гасителей колебаний (демпферов) : фрикционные и гидравлические.
Листовые рессоры являются в большинстве случаев и гасителями вертикальных колебаний; скользящие опоры своим трением гасят энергию колебаний виляния.
Кроме этих конструкций, известны и специальные фрикционные приборы, служащие для гашения колебаний.
Для гашения вертикальных и горизонтальных колебаний в локомотивах применяют дисковые фрикционные гасители с постоянной силой трения (рис. 18, а). В этих гасителях трение возникает между системой вращающихся пластин. Каждая из групп пластин соединена со своим поводком. Сила сжатия пластин регулируется натяжением пружины.
Рис. 18. Гасители колебаний:
а — с постоянной силой трения дискового типа; б — поршневого типа; в — с силой трения, пропорциональной прогибу рессор; г — гидравлические с сопротивлением, пропорциональным скорости перемещения в гасителе; 1, 3 — рычаги; 2 — фрикционные диски; 4 — пружина; 5 — нажимной конус; 6 — раздвижные клинья; 7 — опорное кольцо; 8 — стакан; 9 — надрессорная балка; 10 — клинья; 11 — пружины; 12 — шток; 13 — корпус; 14 — рабочий цилиндр; 15 — поршень; 16, 17 — верхний и нижний клапаны;
18 — резервуар
К числу специальных гасителей колебаний с постоянной силой трения следует отнести гасители телескопического и поршневого типа (рис. 18, б, гасители тележки УВЗ-9м) с поступательным движением частей. Такого же типа гасители применены на некоторых типах тележек зарубежных грузовых и пассажирских вагонов. В этих конструкциях сила трения возникает между раздвижными клиньями и корпусом цилиндра (стаканом) 8.
К фрикционным гасителям колебаний, сила трения которых пропорциональна перемещениям, следует отнести гасители колебаний, примененные в двухосных тележках ЦНИИ-Х3 для грузовых вагонов (рис. 18, в). При нагружении надрессорной балки она своими клиновыми поверхностями распирает клинья 10. При этом создаются силы трения между плоскостями надрессорной балки и клиньями, клиньями и фрикционными планками боковин.
При параллельном соединении фрикционных гасителей колебаний и упругих элементов общий коэффициент относительного трения а при последовательном соединении упругих элементов и гасителей колебаний:
(2-17)
где φ1, φ2 φί — коэффициенты относительного трения в соединяемых гасителях колебаний.
Приведенные формулы дают возможность определять необходимые параметры для анализа динамических процессов в подвижном составе при его движении по железнодорожному пути.
Гидравлические гасители имеют телескопическую поршневую конструкцию. На рис. 18, г представлена схема такого гасителя колебаний; принцип его действия заключается в перепускании жидкости через узкие каналы из первой полости цилиндра во вторую и возвращения этой же жидкости в первую полость через клапан одностороннего действия. При движении поршня вниз верхний клапан приподнимается и часть жидкости из подпоршневой полости рабочего цилиндра перетекает в надпоршневую полость, а другая часть жидкости через дроссельные отверстия перетекает в резервуар. При ходе поршня вверх верхний клапан закрывается и жидкость через дроссельные отверстия всасывается из резервуара в подпоршневую область. Прохождение жидкости через дроссельные отверстия и клапаны сопровождается потерей энергии трения жидкости, что и создает дополнительные силы сопротивления колебаниям.
В настоящее время создано большое количество гидравлических гасителей колебаний, различающихся конструкцией клапанов, формой перепускных дроссельных каналов и другими конструктивными особенностями. Эти гасители нашли широкое применение в тележках почти всех высокоскоростных экипажей.
Расчет сил сопротивления колебаниям, создаваемых гидравлическими гасителями, представляет собой достаточно сложную задачу. Основы таких расчетов приведены в работе [33]. Наиболее надежным способом определения зависимости сил сопротивления гасителей колебаний различных конструкций от скорости перемещений в колебаниях является их экспериментальное определение. Резиновые рессоры гасят возникающие колебания за счет вязкого трения самой резины.
Расчеты диссипативных сил, создаваемых гасителями колебаний, не могут быть представлены в виде какого-то набора расчетных формул или расчетных приемов. Для определения этих сил необходимо проанализировать внутренние силы, действующие в конструкции гасителя. Так, для фрикционных гасителей колебаний необходимо определять силы нажатия трущихся поверхностей и зависимость их от размера перемещения колеблющихся элементов.
Силы нажатия трущихся элементов могут быть заданы (например, во фрикционных дисковых и телескопических гасителях) или зависят от угла наклона поверхностей соприкосновения расклинивающихся элементов. Рассчитываются силы с применением элементарных приемов статики.
Таким образом, фрикционные гасители колебаний в принципе могут создавать: а) постоянные силы сопротивления колебаниям (силы трения), направленные навстречу движению,
Fc =F sign z; (2.18) силы трения F, оставаясь постоянными для данного направления движения, могут быть различными для прямого и обратного направления движения колеблющейся системы; б) силы перемещения сопротивления колебаниям (силы трения), пропорциональные величине перемещения,
(2.19)
эти силы также могут быть различными для прямого и обратного движения колеблющейся системы.
Гидравлические гасители могут создавать силы сопротивления колебаниям, пропорциональные скорости перемещения,
(2.20)
или пропорциональные квадрату скорости перемещения
(2.21)
где Fв и Fc — сила вязкого и сухого трения; z — величина скорости перемещения; μ — коэффициент трения; k, β1, β2 — постоянные коэффициенты, зависящие от конструкции гасителя.