Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
3. ТЯГОВЫЕ ПРИВОДЫ ПЕРИОДА МАССОВОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ТЯГИ
В разделе:
К данному историческому периоду относится время, когда в индустриально развитых странах паровая тяга массово заменяется тепловой и электрической. По времени этот период занимает середину-конец 20 столетия.
Характерной особенность данного периода является то, что благодаря развитию смежных отраслей, в первую очередь, автотракторной и судостроительной промышленности, появляется широкая возможность использовать слежующие технологии:
- применение высокоэластичных материалов (резиновые, резинометаллические, резинокордные элементы) позволяет создавать упругие элементы произвольной формы и упругие шарниры, не требующие смазки;
- расширяется использование подшипников качения, в том числе в качестве карданных шарниров.
Кроме того, важным фактором, оказавшим влияние на развитие конструкций привода в период реконструкции тяги, явилось широкое внедрение в практику создания приводов инструментальных исследований приводов в реальных путевых условиях и стендовых испытаний отдельных узлов. Это привело к ограничению количества приводов, внедряемых в производство, при росте числа экспериментальных образцов.
Параллельно-кривошипные (спарниковые, дышловые) приводы находят небольшую стабильную нишу применения на промышленных локомотивах с гидропередачей в жесткой раме и медленно вытесняются приводом с осевым редуктором и наружным карданом. Опорно-осевой привод фактически полностью вытесняется с трамваев и иного моторвагонного подвижного состава. Для опорно-рамного привода с полым валом характерно развитие прежде всего привода с полым карданным валом. Опорно-рамный привод с осевым редуктором начинает доминировать на моторвагонном подвижном составе, локомотивах с гидропередачей и грузопассажирских локомотивах. Появляется и находит некоторое распространение новая разновидность привода - опорно-центровой. В связи с появлением на опытных образцах локомотивов бесколлекторных тяговых электродвигателей возобновляются попытки создания безредукторного привода.
3.1. Опорно-осевой привод.
В данный период конструкция опорно-осевого привода не претерпевает радикальных изменений. На многих локомотивах, особенно в начале периода, продолжает применяться созданная в предыдущие годы конструкция привода с пружинной траверсой с преднатягом. На рисунке изображен опорно-осевой привод отечественного тепловоза 60-х годов 20 столетия.
Экспериментальная проверка ранее проведенных теоретических исследований опорно-осевого привода в нашей стране была начата в 1957-1958 годах А.С. Евстратовым и Л.К. Добрыниным (ВНИТИ) для привода тепловоза ТЭ3 и ТЭ7. Было установлено, что максимальный динамический момент в опорно-осевом приводе грузового тепловоза ТЭ3 с жестким зубчатым колесом даже при невысокой по нынешним меркам жесткости верхнего строения пути (рельсы Р43, ракушечный балласт) превышает тяговый момент в продолжительном режиме. Динамическое же усилие на ось колесной пары для пассажирского тепловоза ТЭ7 составило примерно треть от статической осевой нагрузки.
Исследования Евстратова и Добрынина определили два ключевых момента в развитии отечественного тягового привода. Во-первых, опорно-осевой привод был признан неприменимым для пассажирских локомотивов. Во-вторых, были выявлены возможности существенного улучшения динамики опорно-осевого привода за счет применения упругого зубчатого колеса, что стало основанием для развертыванию работ по созданию его новых конструкций.
Кроме того, конструкция ключевых элементов привода - подвески, передачи, моторно-осевых подшипников - уже не удовлетворяла эксплуатационников и по другим причинам, и это породило попытки изменения этих элементов при максимальной совместимости с уже эксплуатируемыми конструкциями (т.к. рост парка новых локомотивов требует максимальной унификации их узлов, технологии обслуживания и ремонта).
3.1.1. Узел подвески.
Как уже говорилось, в начале периода реконструкции тяги наиболее распространенной конструкцией траверсы является пружинная траверса с преднатягом, которая фактически останавливается в своем развитии. Попытки менять параметры пружинной траверсы не дают существенного выигрыша, и для отечественных тепловозов принимаются следующие ее основные параметры: жесткость траверсы при жестких зубчатых колесах должна обеспечивать частоту колебаний двигателя на траверсе с собственной частотой примерно 10 Гц, т.е. примерно вдвое ниже частоты колебаний необрессоренных масс на упругом основании пути, а преднатяг несколько меньше усилия, передаваемого в режиме длительной тяги, плюс половина веса двигателя.
В то же время повышение интенсивности эксплуатации локомотивов, их скорости и осевого тягового усилия привели к тому, что для "классической" траверсной подвески были отнесены к существенным новые недостатки:
- возможность сильных ударных нагрузок при полном смыкании витков пружин;
- износ траверсы под концевыми витками пружин;
- возможность автоколебаний тягового двигателя на пружинах траверсы с возникновением больших динамических моментов;
- значительный износ накладок из-за больших перемещений.
Наиболее простым путем модернизации подвески была замена пакета пружин набором плоских резинометаллических элементов, работающих на сжатие. Такая траверса была внедрена на тепловозах дорог США в начале 60-х годов. Положительной стороной конструкции было то, что ее можно было использовать на эксплуатируемых тепловозах без доработки остовов двигателей и кронштейнов. Такая траверса была внедрена в эксплуатации для тепловозов E7 (2000 л.с.), GP-18 (1800 л.с.), F7 (1500 л.с.) и тепловоза фирмы Болдуин мощностью 1200 л.с. По данным дороги Миссури - Тихоокеанская, срок службы резиновых элементов составил 4 года.
Подобная траверса также испытывалась ВЭЛНИИ в 1961 году для отечественных электровозов.
Вместе с тем данная подвеска не решала проблемы износа накладки траверсы и носиков. Поэтому на отечественных тепловозах и электровозах, где удары при смыкании витков пружин менее характерны из-за высокого преднатяга пружин, эти траверсы были испытаны только в качестве опытных образцов, а конструкторы начали поиск более радикальных решений.
Одним из направлений были поиски таких решений, которые не только устраняли бы износ, но и резко повышали податливость подвески и способность рассеивать энергию колебаний. Так, в Омском институте инженеров железнодорожного транспорта была предложена пневматическая система подвешивания двигателя применительно к электровозу ВЛ60. Однако ввиду сложности такие конструкции не получили распространения, и, кроме того, как указывалось выше, исследования не выявили существенных возможностей дальнейшего улучшения динамии привода за счет траверсы. Поэтому основным направлением стал поиск более простых узлов подвески.
Было отмечено, что достаточно приемлемые результаты замена пружин на резиновые элементы дает в первую очередь для маятниковой подвески, в которой, из-за отсуствия прогрессивной жестостной характеристики, при использовании пружин могут возникать резонансные усиления колебаний двигателя на подвеске. В конструкции, показанной на рисунке, верхние два резиновых блока воспринимают только усилия тяги, а нижний - усилия тяги плюс вес двигателя. При этом значительно сокращается число трущихся пар. Дальнейшие конструкции стали развитием той же идеи в сторону упрощения.
На французском электровозе, получившем в СССР серию Ф, была применена маятниковая подвеска с резиновыми элементами, аналогичная пружинной подвеске на первых опорно-осевых приводах, однако пружины в ней были заменены массивными круглыми резиновыми элементами. Благодаря шестиполюсному тяговому двигателю относительно небольшой массы и снижению динамических моментов за счет применения упругих колес такая конструкция, несмотря на более высокую жескость подвески, не создавала чрезмерных динамических нагрузок на элементы рамы тележки. Другой особенностью подвески электровоза Ф
было то, что остов двигателя был соединен с рамой тележки и поперечной тягой - предполагалось, что это снизит воздействие двигателя на путь. Данное предположение не является бесспорным, поскольку, с одной стороны, горизонтальная тяга исключает удары колесной пары о торцы моторно-осевых подшипников, а, с другой стороны, при связи двигателя с тележкой в горизонтальной плоскости возрастает момент инерции тележки.
Поэтому в маятниковой подвеске электровоза ВЛ80 конструкторы не стали слепо копировать подвеску электровоза Ф, и отказались от поперечной тяги. Вместо использования упругих колес шарнир подвески электровоза ВЛ80 был размещен ближе к центру удара; поэтому сама подвеска сделана короткой и обеспечено поперечное перемещение подвески по валику. В связи с высокой жесткостью на перекос крупногабаритных резиновых амортизаторов, наклона и заклинивания подвески на валике не происходит. Кроме того, благодаря применению двусторонней косозубой передачи, динамические нагрузки в валопроводах при данной жесткости подвески не приводили к поломкам зубьев даже при жестких венцах зубчатых колес. Таким образом, подвеска электровоза ВЛ80 представляет собой пример удачного решения, где каждый элемент в отдельности нельзя считать оптимальным, но в сочетании друг с другом детали обеспечивают друг другу приемлемые условия работы, а узел получается простым и удобным в ремонте и обслуживании.
Для тех вариантов маятниковой (люлечной) подвески тягового двигателя, где перемещения обеспечивались за счет деформации упругих элементов, узел подвески часто удавалось модернизировать за счет замены пружин набором близких по габаритам резиновых или резинометаллических элементов, либо применением иного вписывающегося в габариты узла с резиновыми амортизаторами. На рисунке показаны варианты модернизированной подвески трамвая с набором резинометаллических шайб и с коническими резиновыми упругими элементами больших размеров. В подвеске с коническими элементами резина при передаче тягового усилия работает на сдвиг и сжатие, в подвеске с цилиндрическими элементами - на сжатие.
На тепловозах в данный период обычно применялась односторонняя прямозубая передача, поэтому применение более жесткой подвески было возможно только при условии использования упругого зубчатого колеса. Во ВНИТИ была разработана траверсная подвеска с прямоугольными резинометаллическими элементами, не содержащая изнашиваемых деталей и предназначенная для модернизации эксплуатируемых локомотивов с пружинной подвеской. В этой конструкции выступ кронштейна на остове тягового двигателя защемлялся между пакетами резинометаллических элементов, вставленных в кронштейн траверсы. Подвеска прошла успешные испытания.
Во ВНИТИ также проводились исследования более простой подвески, состоящей из тяги с двумя резинометаллическими шарнирами по концам, примененнной Луганским тепловозостроительным заводом на опытном тепловозе 2ТЭ10М (подвеска типа "Серьга"). В ходе испытаний выяснилось, что в трехосной тележке при длине подвески, соизмеримой с высотой остова двигателя, цилиндрические шарниры, оси которых направлены поперек пути, не способны выдержать поперечные смещения колесных пар в пределах разбегов.
Для обеспечения разбегов в исходной конструкции была предусмотрена возможность скольжения внутренней металлической втулки шарнира по пальцу в пределах поперечных зазоров. Предполагалось, что это будет происходить так же, как и в верхнем шарнире подвески тягового электродвигателя электровозов. Однако в подвеске электровоза нижний шартир, выполненнный из достаточно жестких плоских резиновых элементов, препятствовал перекосу оси подвески при воздействии силы трения верхнего шарнира по пальцу, и обеспечивал ее перпендикулярность оси пальца. В подвеске же Луганского завода при увеличении силы трения между втулкой шарнира и пальцем из-за высыхания и загустевания смазки, попадания загрязнений и ржавчины, происходило заклинивание втулки на пальце, после чего наружная или внутренняя втулка начинала проскальзывать по резине, что приводило к вырыву резины из шарнира. Данное явление наблюдалось как на средней, так и на крайних осях тележки тепловоза 2ТЭ10М
В настоящее время аналогичная подвеска использована Луганским заводом на маневровом тепловозе ТЭМ103 с двухосной тележкой, с упругими разбегами колесных пар. Данных о надежности работы подвески на тепловозе ТЭМ103 пока нет.
В связи с данной проблемой во ВНИТИ были проведены исследования подвесок с цилиндрическими и коническими резинометаллическими шарнирами с различным расположением их осей. Было установлено, что придание цилиндрическим шарнирам некоторой конусности не дает возможности существенно повысить их надежность, поскольку снижение краевых деформаций сжатия резинового слоя сопровождается ростом общих деформаций сжатия резинового слоя, в связи с увеличением поверхности выпучивания резины.
Размещение осей шарниров вдоль оси пути позволяет снизить краевые деформации в цилиндрических шарнирах, т.к. угол поворота шарнира от поперечных перемещений концов подвески выше, чем от колебания остова двигателя на неровностях пути, однако такое расположение затрудняет демонтаж подвески при выкатке колесно-моторного блока. Это обстоятельство побудило ВНИТИ начать работу над сферическими резинометаллическими шарнирами.
Сферические резино-металлические шарниры ранее были использованы в подвеске тягового двигателя английского тепловоза HS4000 "Kestrel", также с упругим зучатым колесом. В этой подвеске верхний шарнир был выполнен в виде цилиндрического шарнира с осью, развернутой вдоль пути, а нижний - сферического, с осью, развернутой поперек пути, что обеспечивало удобство разобщения подвески и рамы тележки при выкатке колесно-моторного блока. Расстояние между шарнирами принято равным 316 мм, внутренние обоймы обоих шарниров не имеют возможности перемещения вдоль осей. Ось нижнего шарнира выполнена в виде болта, фиксируемого корончатой гайкой (на отечественных подвесках ось фиксируется в поперечном направлении планкой, которую заводят в паз и крепят двумя болтами, это технологичнее).
На рисунке изображен сферический шарнир подвески тепловоза "Kestrel". Сферическая втулка шарнира имеет три радиальных разъема для создания предварительного сжатия резины. Во время запрессовки шарнира в подвеску сегменты втулки сближаются к центру до замыкания плоскостей разъемов, обеспечивая радиальное поджатие резинового слоя. При этом коэффициент формы резинового элемента, т.е. соотношение площади поперечного сечения к площади свободной поверхности резины (поверхности выпучиивания) получается лучше, чем у цилиндрических или конических шарниров, что повышает несущую способность подвески, а при перекосе такого шарнира, как и при повороте, в резиновом слое появляются только деформации сдвига, отношение которых к толщине слоя резины может быть втрое выше, чем деформаций сжатия. Например, если при сжатии допускается деформация 10% от толщины резинового слоя, то при сдвиге - 30%. Недостатком такого шарнира является сложность обработки радиальных разъемов внешней обоймы.
Во ВНИТИ в 80-е годы В.С. Косовым была создана и успешно испытана подвеска типа "Серьга" с двумя сферическими резинометаллическими шарнирами другой конструкции с разъемом в плоскости, параллельной торцам шарнира. Была определена рациональная форма поверхностей резинового элемента в месте разъема. При сборке такого шарнира радиальный натяг создается за счет того, что при осевом сдвиге обоймы при сборке толщина резинового слоя сокращается и в осевом направлении.
Общей тенденцией развития подвески в данный период является ее резкое упрощение и постепенный переход к жесткой подвеске с резинометаллическими шарнирами; функции же амортизатора возмущений от пути переходят к валопроводам тягового привода.
