Пружно-каткові ковзуни постійного контакту

     Досвід експлуатації показує, що існуюча традиційна схема спирання кузова вантажного вагона на візки не забезпечує безпечну експлуатацію вантажних вагонів, що проявляється у схильності до самозбудження коливань виляння та втрати стійкості під час руху на прямих ділянках колії і на кривих великого радіусу. Це явище негативно впливає на безпеку руху, а в деяких випадках призводить до сходу рухомого складу з рейок.

      Вагонобудівна промисловість намагається вирішити дану проблему шляхом впровадження в конструкцію вантажних вагонів бічних ковзунів постійного контакту (рис. 1), які сприяють збільшенню моменту сил тертя між кузовом і візком. Тому метою даної роботи є знаходження зусиль, що приходять на буксові вузли, визначенні величини параметра жорсткості ковзунів.

Рисунок 1  – Пружно-катковій ковзун постійного контакту  

      Для виконання поставленої цілі було побудовано спрощену модель вантажного вагона:

      Тоді були задані необхідні інерційні параметри (моменти інерції, масу) та сили.

     Буксовий вузол моделюється двома силовими елементами: контактною силою (рис. 2), що задає вертикальне спирання рами, та спеціальною силою (рис. 3) типу «сайлент-блок», що задає зазори в поздовжньому й поперечному напрямках та при обертанні навколо вертикальної осі. Вертикальне навантаження на осі передають контактні силові елементи типу «точки – площина»: застосовується у передній лівій буксі, передній правій буксі, задній лівій буксі, задній правій буксі.

Рисунок 2 – Контакт для передачі вертикального навантаження

Рисунок 3 – Силовий елемент, що моделює зазор

      Фрикційні гасителі коливань також моделюються силовим елементом, а саме спеціальною силою типу «комбіноване тертя» (рис. 4).

Рисунок 4 – Фрикційні гасителі коливань

     Також контактна взаємодія описується між надресорною балкою та кузовом, що передає вертикальне та поздовжнє навантаження. Вертикальне зусилля передається через вісім контактних точок, що розташовані на п’ятнику по колу. Ці контактні точки забезпечують можливість перевалки кузова на п’ятнику (рис. 5). Обмеження по зміщенню в п’ятнику у поперечному напрямку виконано за допомогою спеціального силового елемента «шкворень», що має тип елемента – «сайлент-блок» (рис. 6). Елемент задає пружно-дисипативну силу при зміщені п’ятника відносно підп’ятника в поперечному та поздовжньому напрямках.

Рисунок 5 – Вертикальні зусилля у підп’ятнику

Рисунок 6 – Обмеження по зміщенню в поперечному напрямку

     Ще є контактний силовий елемент типу «точки-площина» при спиранні кузова на надресорну балку через ковзуни (рис. 7): лівий ковзун (спирання на ролик та на демпфер), правий ковзун (спирання на ролик та на демпфер).

Рисунок 7 – Ковзун постійного контакту

     Останнім кроком було створення зв’язку між вагоном та двома візками за допомогою завдання «зовнішніх зв’язків». Таким чином, модель готова до проведення розрахунків. 

     Тоді було проведено розрахунок спрощеної моделі залізничного вантажного вагону на визначення необхідної жорсткості ковзуна постійного контакту, при якому буде мінімальне зусилля на буксовий вузол. Для цього було проведено динамічний аналіз в програмному комплексі Universal Mechanism. Виконували розрахунки за допомогою «модуля багатоваріантних розрахунків», тому що необхідно було проводити серію числових експериментів через варіювання параметром жорсткості ковзунів в межі його зміни від 1*10^5 Н/м до   1*10^7  Н/м (а також в 0) та параметром швидкості (15 м/с, 20 м/с, 30 м/с). До того ж досліджувалися навантажений та порожній вагони. Також для моделювання динаміки рельсового екіпажу було встановлено профілі коліс та рейок (рис. 8).-

Рисунок 8 – Профілі

     Був обран тип шляху – S-крива з радіусом повороту = 150 м на першій та другій ділянці, встановлені вертикальні та поперечні нерівності рейок, що помножені на множник, що = 2 для ускладнення. Також були створені файл переміннфх та файл параметрів, якими варіювали (жорсткість, швидкість та вантажність). Були задані початкові умови та умови завершення. А також числовий метод для моделювання. В даному випадку був обраний метод Парка.

     В результаті проведеного аналізу було визначено навантаження на буксові вузли при певних заданих жорсткостях, що отримуємо на трьох різних швидкостях. Приведемо приклади графіків на швидкості 20 м/с для порожнього та вантажного вагонах:

• Маса = 11840 кг

• Маса = 90000 кг

     З результатів графіків бачимо, що мінімальна жорсткість пружно-каткових ковзунів має дорівнювати ≈ 2,5*10^6 Н/м для збільшення для ефективного перевезення великої кількості вантажів на далекі відстані. Тобто в якості раціональних значень жорсткості необхідно приймати значення в межах від   2,5*10^6 Н/м до   1*10^7 Н/м, так як більша жорсткість буде аналогічна жорсткому закріпленню вагона, що негативно впливає на стійкість вагона. 

     Відмітимо, що впровадження пружно-каткових ковзунів постійного контакту в конструкцію візків вантажних вагонів дозволяє досягти зниження зносу буксових вузлів та улучшення динамічних характеристик вагона.