Эффективная альтернатива колесной паре, страница 2

Создание конструкций тележек со свободно вращающимися на оси колесами поставило новые задачи в области динамики их взаимодей­ствия с рельсами. В ходе испытаний выявилось полное отсутствие на­правляющего действия такой ко­лесной пары в рельсовой колее. Поэтому гребни правого и левого колес в зависимости от перекоса оси в раме тележки постоянно со­прикасаются с головкой рельса. В результате постоянного взаимодействия гребня одного из колес с рельсом происходит его преждевременный износ. Например, на
первой партии венгерских дизель-поездов серии Д на трехосных тележках средняя колесная пара была оборудована свободно вращающимися на оси колесами. Через каждые 40-50 тыс. км пробега бандажи этих колес приходилось обтачивать из-за предельного износа гребней. Поэтому в дальнейшем от таких колесных пар пришлось отказаться.  

За рубежом были испытаны различные способы восстановления направляющего действия пары со свободно вращающимися на оси колесами, в числе которых частич­ная фрикционная связь правого и левого колес, увеличенная конус­ность бандажей, установка раздель­ных осей и др. Однако удовлетво­рительного решения проблемы по­лучено не было. В нашей стране также пытаются решить проблему различными путями. В частности, было предложено сажать бандажи на колесные центры по скользящей посадке с нанесением твердой смаз­ки на контактные поверхности, с тем чтобы они могли проскальзы­вать относительно друг друга в кри­вых участках пути. Однако ощути­мых результатов это предложение пока не дало.

Неплохие результаты по ста­билизации движения пары со сво­бодно вращающимися на оси ко­лесами получены во ВНИТИ на экспериментальном электровозе ВЛ60К-1699, испытанном в локо­мотивном депо Муром Горьковской дороги. Устройство экспери­ментальной пары показано на рис. 3. Она состоит из не вращающейся оси 1, правого и левого колес 2 (на рис. 3 показана только левая поло­вина колесной пары), установлен­ных на оси посредством коничес­ких подшипников качения 3 и 4. На ступицах колес 2 посажены упру­гие зубчатые колеса 5, венцы кото­рых соединены между собою ва­лом якоря электродвигателя с по­саженными на хвостовиках веду­щими шестернями. При этом обес­печивается эластичная связь право­го и левого вращающихся на оси колес с коэффициентом жесткос­ти 5,4-10⁵Нм/рад.

Динамические испытания пока­зали, что в прямых участках пути пара со свободно вращающимися на оси колесами и упругой связью между ними сохраняет, как и тра­диционная колесная пара, направ­ляющие свойства, но частота изви­листого ее движения снижается почти в два раза, что благоприятно сказывается на горизонтальной ди­намике локомотива. Тем не менее в кривых, после того как относи­тельная упругая закрутка колес достигала предела по сцеплению, скольжение колеса по рельсу оста­ется таким же, как у традиционной колесной пары.

СТАБИЛИЗИРОВАТЬ движение колесной пары с кинематически не связан­ными вращающимися ко­лесами удалось на катковом стен­де ВНИТИ путем обеспечения принудительных колебаний оси в гори­зонтальной плоскости. Этот стенд представляет собой закрепленный на станине колесно-моторный блок, бандажи которого обточены по профилю головки рельса Р50. К ним прижимается пружинами вер­хняя пара с вращающимися на оси колесами, бандажи которых име­ют конусность 1:20. Левая букса невращающейся оси связана со ста­ниной поводками с высокой про­дольной жесткостью. Правая со­единена со штоком пневмоцилиндра, амплитуду А и частоту f колеба­ний которого можно регулировать в пределах А=2-5 мм; f=3 Гц. При А=2,6 мм и f=1,4 Гц пара со сво­бодно вращающимися на оси коле­сами совершает принудительное извилистое движение, не касаясь гребнями бандажей боковых тор­цов колес нижней колесной пары вплоть до скорости движения 120 км/ч.

На основе этой разработки авторами статьи предложена сле­дящая система микропроцессор­ного управления движением пары со свободно вращающимися на оси колесами применительно к ваго­нам электропоездов. На рис. 4 показана эта колесная пара. Она снабжена центральной тягой 1 с резиновыми элементами 2 в шар­нирах, которые обеспечивают оп­тимальные характеристики жест­кости поперечной ее связи с рамой тележки 3. Тяга, кроме того, пере­дает продольные силы торможе­ния на раму тележки. Вращающи­еся на оси 4 на конических подшип­никах 5 и 6 колеса 7 объединены втулкой 8 с тормозными дисками 9. Для повышения уровня безопас­ности движения конические под­шипники дублированы радиально-упорными подшипниками скольже­ния 10, которые вступают в работу лишь в случае повреждения под­шипников качения. При этом спе­циальный температурный датчик, которыми оснащены все колесные пары, извещает машиниста по мо­нитору о неисправности конкрет­ного колеса. Вместо букс на вне­шних консолях оси смонтированы упругие опоры 11 с коническими резиновыми элементами 12. На них непосредственно опираются пру­жины 13 первой ступени рессорно­го подвешивания.

К одной из концевых опор при­соединен исполнительный привод следящей микропроцессорной си­стемы управления. Привод состоит из гидроцилиндра 14, шарнирно подвешенного на кронштейнах 15 рамы тележки. Его шток соединен с рычагом 16 увеличителя хода пор­шня гидроцилиндра, а рычаг шар­нирно связан тягой 17 с концевой опорой невращающейся оси. Два других гидроцилиндра следящей системы шарнирно соединяют раму тележки с кузовом 9 (на рис. 4 не показаны). За состоянием системы следит датчик 18.

РАБOTAET следящая систе­ма   следующим   обра­зом. В прямых участках пути по сигналам от магниторельсовых датчиков микропро­цессор по жесткой программе вырабатывает такие сигналы для ис­полнительных гидроцилиндров 14, которые своевременно поворачи­вают не вращающиеся оси 4 вокруг центральных тяг 1 так, чтобы греб­ни колес 7 не касались боковых граней рельсов. При подходе к кривому участку пути головка, ус­тановленная на тележке, считывает с путевого блока памяти информа­цию о параметрах этого участка. Одновременно в микропроцессор поступают сведения о скорости дви­жения поезда. В соответствии с полученными данными вырабаты­вается команда на поворот в ради­альное положение рамы тележки на угол а и пар со свободно враща­ющимися на оси колесами на угол у, несколько больший радиальной их установки (рис. 5). Скорость поворота рамы и пар такова, что эти процессы выполняются в пре­делах переходных кривых как при входе в кривую, так и при выходе из нее. Дополнительный угол поворо­та у зависит от скорости движения, и для конкретных условий движения микропроцессором вычисляется оп­тимальное его значение. Угол по­ворота пары у по отношению к радиальной установке (3 обеспечи­вает минимально возможное взаи­модействие гребней колес с голов­кой наружного рельса с точки зре­ния трения и износа.

Внедрение следящей системы микропроцессорного управления движением колесных пар  на локо­мотивах и электропоездах позво­лит кроме уменьшения сопротив­ления движению резко сократить фрикционное взаимодействие греб­ней колес с боковыми гранями рель­сов. В результате бандажи будут обтачиваться по величине предель­но допустимого проката после про­бега 600-800 тыс. км. Срок окупа­емости следящей микропроцессор­ной системы управления движени­ем пар со свободно вращающими­ся на оси колесами согласно расче­там применительно к вагонам элек­тропоездов составит не более че­тырех месяцев работы в эксплуата­ции.