Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
2. ТЯГОВЫЕ ПРИВОДЫ ПЕРИОДА НАЧАЛА ВНЕДРЕНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТЯГИ
В разделе:
К данному историческому периоду относится время, когда тяговый подвижной состав с электрическим тяговым приводом - электровозы и тепловозы с электропередачей - уже вышел из стадии экспериментального и началось его серийное производство, но в целом в практике развитых индустриальных держав, за исключением отдельных стран, еще доминировала паровая тяга. В этот период уже появилась специализированная производственная база для производства тепловозов и электровозов, в частности, на локомотивостроительных заводах появилось производство крупногабаритных зубчатых колес. Создаются и развиваются методики расчета элементов привода. Этот период характерен практически повсеместным отказом от непосредственных и параллельно-кривошипных приводов, использованием металлических упругих элементов (в связи с недостаточным уровнем развития производства резины и других неметаллических материалов в качестве конструкционных), а также широким поиском различных конструктивных схем и решений, с заимствованием новинок из судостроения и автомобилестроения. Этот период можно приблизительно отнести по времени от начала 20 века до 40-50-х годов 20 века.
На данном этапе приводы разделяются на три основные группы:
- приводы с опорно-осевым подвешиванием тягового двигателя;
- приводы с опорно-рамным подвешиванием тягового двигателя и тяговой передачи (с полым валом на оси);
- приводы с опорно-рамным подвешиванием тягового двигателя и осевым подвешиванием редуктора.
2.1. Опорно-осевой привод.
Как уже было отмечено, применение одноступенчатой зубчатой передачи привело к появлению достаточно простой конструкции, в которой ведущая шестерня насажена на вал двигателя, ведомое колесо - на ось колесной пары, а осевые (моторно-осевые) подшипники находятся на остове тягового двигателя, который, таким образом, служит корпусом зубчатой передачи. Другой стороной тяговый двигатель подвешивается к тележке. На рисунке изображен опорно-осевой привод конструкции, типичной для 20-х годов 20 столетия.
Такое конструктивное решение получило в литературе самые разные названия. Во-первых, поскольку первоначально оно было создано для трамвая, его стали называть трамвайным подвешиванием. Кроме того, в зависимости от конструктивного решения узла крепления к тележке, его стали называть траверсным, люлечным или носковым подвешиванием.
Такой привод оказался весьма надежным для большинства случаев по сравнению с другими конструкциями начала 20 столетия, простым и универсальным, он позволял разместить ведущие оси в тележечном экипаже и мог быть использован с колесными парами самого разного диаметра.
Вместе с тем, с самого начала исследователи относили к его недостаткам высокую необрессоренную массу. В технической литературе к началу 30-х годов он рекомендуется только для локомотивов, имеющих "небольшие скорости" и для двигателей мощностью менее 350-400 кВт., а конструкторы начинают поиск решений, способных его заменить. Несмотря на это, как будет показано далее, опорно - осевой привод и в 21 столетии сохранил за собой широкую сферу применения.
2.1.1. Узел подвески.
В опорно-осевом приводе выбор конструкции узла подвески влияет на параметры привода в целом, конструкцию других узлов привода и конструкцию балок рамы тележки, расположению и форму которых выбирают, в частности, из условий удобства присоединения подвески.
Уже для первой конструкции опорно-осевого привода для узла подвешивания остова тягового двигателя к раме тележки, или просто подвески, были определены три важнейших требования:
- подвеска должна передавать статические усилия от остова двигателя на тележку, позволяя двигателю перемещаться в поперечном, угловом и продольном направлении относительно тележки;
- подвеска должна поглощать удары, возникающие при прохождении неровностей пути, чтобы они не передавались на надрессорное строение;
- подвеска должна обеспечивать возможность выкатки отдельного колесно-моторного блока без подъемки кузова локомотива.
Поэтому на данном этапе для опорно-осевого привода конструкторы вели широкий поиск разнообразных вариантов решения именно для этого узла в поисках рациональных схем.
Первоначальный вариант подвески, как уже говорилось ранее, представлял собой две пружины на вертикальной тяге, привинченной к раме экипажа. Компенсация перемещения двигателя происходила за счет деформации пружин.
В дальнейшем для снижения деформаций пружин при перемещениях двигателя крепление тяги к раме стали делать шарнирным - этот вариант можно видеть на примере узла подвешивания рудничного электровоза . Подвеска представляла собой тягу с шарниром на одном конце и комплектом пружин, деформация крайних витков которых обеспечивала одновременно поворот второго конца тяги. Такое решение применялось при малой мощности двигателя. Для более мощных двигателей возникали следующие проблемы:
- износ шарнира из-за постоянной запыленности;
- ограничения габаритов пружин, от которых требовалась большая несущая способность и энергоемкость.
Дальнейшее развитие конструкции пошло несколькими путями.
Прежде всего, число пружин было увеличено минимум до двух комплектов. При этом, для снижения деформаций пружин, их стремились размещать ближе к центру удара, т.е. к точке тягового двигателя, которая во время прохождения стыка остается неподвижной. При жесткой зубчатой передаче такая точка обычно располагалась между осью вала тягового двигателя и стенкой остова, противоположной колесной паре .
Поэтому пружинные комплекты начали размещать с торцов тягового электродвигателя, при небольшой мощности - на приливах остова, для более мощных - на специальной траверсе (отсюда и название - "траверсная подвеска"). На рисунке изображено подвешивание двигателя отечественного довоенного тепловоза Ээл9 со съемной траверсой.
Такая конструкция применялась преимущественно в тех случаях, если колесные пары имели небольшие поперечные разбеги (например, в двухосных тележках или же в случаях, когда вписывание в кривые обеспечивалось не разбегами, а отсутствием гребней у промежуточных колесных пар), либо в тех случаях, когда конструкция позвляла применять пружины и тяги большой длины (как на том же Ээл9).
Для обеспечения же больших поперечных разбегов колесных пар при небольших габаритах для размещения подвески была создана другая разновидность подвешивания с траверсой, которая получила в литературе названия маятниковой или люлечной подвески.
Примером может служить подвеска заказанного после войны в Германии электровоза серии К (рис. слева). Пружинные комплекты здесь расположены с одной стороны ТЭД, а траверса закреплена на остове через цапфу. Таким образом, при перекосе остова ТЭД в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению движения, дополнительных деформаций пружин не происходит. С кронштейном балки тележки подвеска связана через шаровые соединения с полусферами из графитизированного материала. Вместо шаровых соединений могут также применяться короткие серьги с двумя взаимно-перпендикулярными отверстиями, также позволяющие тягам подвески свободно поворачиваться в двух плоскостях (рис. справа).
В подвеске, показанной на рисунке, поперечные перемещения тягового двигателя полностью компенсируются двумя параллельными качающимися подвесками, цапфа выполнена сферической и использовано разное число пружин, предназначенных для восприятия реакций, направленных вверх и вниз. Такая люлечная подвеска обеспечивает наиболее простую схему работы цилиндрических пружин (только на сжатие), что упрощает их расчет и проектирование, но, вместе с тем, сама по себе конструктивно сложна и трудоемка в изготовлении.
Траверсное подвешивание указанного типа и люлечное (маятниковое) до второй мировой войны распространились в основном на подвижном составе европейских стран. Общим его недостатком является сравнительно невысокая энергоемкость пружинного комплекта и, соответственно, невысокая способность амортизировать удары в подвеске. Получается это потому, что как пружины, воспринимающие усилия, направленные вверх, так и те, которые воспринимают усилия, направленные вниз, работают одновременно и параллельно друг другу, повышая жесткость. При диаметрах колес локомотива 1250 мм и менее, если нет возможности поднять узел крепления подвески к раме тележки значительно выше остова ТЭД, пружины получаются слишком короткими, т.к. в этом случае их надо вписывать в габарит по длине меньше половины диаметра остова двигателя, что увеличивает жесткость подвески.
Поэтому на электровозах, а позднее и тепловозах дорог США, на которых использовались колеса диаметром 1050-1250 мм, в начале 20 века нашла распространение траверсная подвеска иной конструкции, с предварительным натягом, получившая также название "крепление Пенсильвания". Рассмотрим ее конструкцию на примере траверсного подвешивания отечественных электровозов ВЛ первой половины 20 столетия.
В этой подвеске траверса состоит из двух балочек, между которыми размещены пружины с предварительным натягом. Траверса зажата по краям выступами кронштейна на раме тележки, между которыми на нее давят приливы (носики) на остове двигателя (поэтому такое подвешивание называют также носковым). Независимо от того, куда будет направлена реакция тягового двигателя, вверх или вниз, она будет сжимать весь комплект пружин траверсы (чаще всего 4 пружины), поэтому при сравнительно небольших габаритах энергоемкость такой подвески получается выше, чем маятниковой (люлечной). Кроме того, увеличение предварительного натяга траверсы в определенных пределах также повышает ее способность амортизировать большие удары до полного замыкания витков пружин. Такая подвеска нашла применение почти на всем парке довоенных электровозов, а после войны до конца 20 столетия - на всех отечественных тепловозах с опорно-осевым приводом, за исключением экспериментальных.
Применялась она и на значительном числе ввезенных в СССР локомотивов зарубежного производства. На рисунке показана подвеска электровозов промышленного транспорта EL1 производства ГДР с пятью пружинами.
Важной особенностью траверсной подвески с преднатягом пружин, которую всегда надо соблюдать при проектировании, является то, что между носиком двигателя и траверсой должен быть обеспечен гарантированный зазор, тогда нагрузка будет распространяться равномерно на обе стороны кронштейна на раме тележки. Если же это условие будет не соблюдено, то из-за перекосов двигателя траверса может начать опираться то на одну, то на другую сторону кронштейна, который обычно не рассчитан на такой режим работы. Это чревато поломкой кронштейна.
Из-за углового поворота двигателя вокруг оси якоря при движении пружины траверсы не только сжимаются, но и работают на изгиб, что усложняет их расчет и испытания. Поэтому в некоторых конструкциях пружины, для исключения изгиба, заключают в направляющие стаканы со сферическими упорными поверхностями. На рисунке изображена такая подвеска электровоза 26Е2М. Для снижения перемещений стаканов по кронштейну при деформации рессор тележки, кронштейн на раме тележки выполнен качающимся и связан продольной тягой с остовом двигателя. Однако из-за сложности такая конструкция была менее распространена.
К общим недостаткам носкового подвешивания относятся сравнительно большие перемещения открытых трущихся поверхностей, что отчасти компенсируется большими размерами этих поверхностей и допустимость больших зазоров вследствие износа.
В целом к недостаткам применяемых в это время вариантов пружинной подвески тягового двигателя в опорно-осевом приводе относится возможность возникновения автоколебаний двигателя на упругости подвески при боксовании, которое может сопровождаться полной осадкой пружин и сильными ударными нагрузками в элементах привода и подвески. Как правило, отсутствовала поперечная связь двигателя с рамой тележки, что вело к появлению ударов между торцевыми частями моторно-осевых подшипников и ступицами колес, что также обычно рассматривалось исследователями, как недостаток (справедливость требует отметить, что при больших разбегах колесных пар ввести такую связь не всегда возможно). Кроме того, возникали общие проблемы, связанные с применением цилиндрических пружин в качестве упругих элементов винтовых пружин: износ в местах контакта пружин с опорами, излом витков пружин, в особенности, концевых и т.п.
