Constantele Elastice ale Suspensiilor Vehiculelor Feroviare Motoare Echipate cu Motoare Diesel

CONSTANTELE ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE ECHIPATE CU MOTOARE DIESEL

CAP. I CONDIȚII FUNCȚIONALE ȘI CONSTRUCTIVE IMPUSE SUSPENSIEI

În timpul mersului, vehiculele feroviare sunt supuse la șocuri și vibrații datorate modificării vitezei de circulație, demarărilor, frânărilor, parcurgerii unor profile variabile (rampe – pante – paliere) sau trecerii peste diferite defecte sau discontinuități ale căii de rulare. Acțiunea unor forțe exterioare datorate trecerii prin tuneluri sau pe lângă alte vehicule feroviare, condițiilor meteorologice extreme (vânt puternic din lateral, căderi abundente de precipitații, etc), pot avea efecte defavorabile asupra calității mersului, stabilității vehiculului și siguranței circulației.

Pentru atenuarea efectelor negative ale acestor forțe și menținerea lor în limite acceptabile, vehiculele sunt prevătute cu un ansablu de elemente elastice, elemente de amortizare și elemente de legătură care formează suspensia. Acest ansamblu trebuie să realizeze și izolarea vehiculul față de vibrațiile și zgomotele perturbatoare ce iau naștere în timpul rulării, să asigure un comportament dinamic stabil, cu forțe de ghidare cât mai mici atât la mersul în aliniament cât și la trecerea prin curbe sau peste aparatele de cale.

În cazul vehiculelor motoare, variațiile de sarcină pe roți influențează aderența și deci performanțele realizate de vehiculul de tracțiune. Suspensia are și în acest caz un rol important în diminuarea acestor variații de sarcină, soluțiile constructive adoptate fiind cele care aduc aportul la performanță.

În cazul vehiculelor motoare cu încărcare variabilă (rame electrice sau automotoare), suspensia trebuie să realizeze o compensare a deplasărilor verticale ale cutiei care să permită încadrarea în gabarit indiferent de profilul liniei și rămânerea în limitele admise pentru diferența de înălțime a tampoanelor între două vehicule din tren care au un grad de încărcare diferit.

Pentru realizarea unor vehicule feroviare motoare care să răspundă noilor cerințe de viteză, autonomie, de utilizare pe diferite secții de circulație și de necesitatea flexibilității adaptării vehiculelor la cerințele specifice anumitor operatori de transport feroviar, suspensia trebuie să răspundă unor serii de condiții constructive, avându-se în vedere importanța acesteia în ansamblul construcției vehiculului, parametrii ei influențând calitatea mersului și siguranței circulației.

Soluția constructivă adoptată pentru suspensia unui vehicul feroviar trebuie să evite și fenomenele de rezonanță, care pe lângă faptul că influențează negativ calitatea mersului și funcționarea diferitelor agregate instalate pe vehicul, pot duce la descărcări ale roții atacante și astfel să pericliteze siguranța ghidării vehiculului.

Principalele surse de vibrații la vehiculele feroviare sunt neuniformitățile căii, atât cele verticale cât și cele transversale, discontinuitățile acesteia (joante, aparate de cale), precum și mișcarea de șerpuire a osiei care se transmite maselor suspendate ale vehiculului și care se datorează calării fixe a celor două roți de conicități inversate ale suprafețelor de rulare, pe aceeași osie.

Pe lângă acestea, defectele roților montate pot fi o sursă importantă de vibrații dezechilibrul dinamic, bătăile radiale sau axiale ale roților, diferitele defecte apărute pe suprafețele de rulare (locuri plane, exfolieri de material, brocuri, tasări de material, roată poligonată, etc).

Cea mai uzuală clasificare a tipurilor de suspensii folosite la vehiculele feroviare, este cea care ține cont de modul de combinare a etajelor suspensie în cadrul vehiculului.

Pentru vehiculele feroviare motoare uzual este sistemul cu două etaje de suspensie, un etaj între cutiile de osie și rama boghiului, numită suspensie primară și un etaj între partea suspendată a boghiului și traversa dansantă sau cutia locomotivei, numită suspensie secundară.

Principalul subansamblu al suspensiei îl reprezintă sistemul elastic, care înmagazinează lucrul mecanic de deformare atunci când asupra sa acționează o sarcină și îl redă (în cea mai mare parte), când acțiunea sarcinii a încetat.

Cerințe esențiale pe care trebuie să le îndeplinească un sistem elastic din suspensia unei locomotive, sunt:

– egalizarea încărcării verticale a vehiculului prin repartizarea egală între osii a sarcinii care trebuie susținută, atât în staționare cât și în timpul rulării;

– reducerea forțelor dinamice și a accelerațiilor care iau naștere la trecerea peste iregularitățile căii de rulare;

– stabilizarea vehiculului în timpul rulării în aliniament sau curbe;

Din punctul de vedere al modului de combatere a vibrațiilor, suspensiile vehiculelor pot fi pasive, active sau semiactive.

Suspensiile pasive sunt cele mai răspândite sisteme fiind formate din elemente elastice metalice, de cauciuc, metal-cauciuc sau combinații ale acestora, elemente de legătură și elemente de amortizare.

În constucția suspensiilor pasive și semiactive de la vehiculele feroviare motoare se utilizează diverse tipuri de arcuri, clasificarea acestora putând fi făcută după următoarele criterii:

– dupa forma constructivă: arcuri în foi, arcuri elicoidale, arcuri bară de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri inelare, arcuri disc, arcuri bloc;

– dupa modul de actionare a sarcinii exterioare: de compresiune, de tractiune, de încovoiere, de torsiune;

– dupa solicitarea principală la care este supus materialul: de tractiune/compresiune, de încovoiere, de torsiune;

– dupa natura materialului din care este executat arcul: arcuri metalice, arcuri din cauciuc și arcuri metal-cauciuc;

– dupa variatia rigiditătii: cu rigiditate constanta, cu rigiditate variabila progresivă sau rigiditate variabila regresivă;

– dupa forma secțiunii (arcuri metalice): cu sectiune rotunda, inelara, dreptunghiulară, patrată sau profilată.

– dupa forma secțiunii (arcuri pneumatice): arcuri cu diafragmă circulară, cu jumătate de burduf, cu un burduf, două sau trei burdufur, arcuri cu membrană, arcurile cu diafragmă convolută cu sau fără armătură exterioară, etc.

Primele arcuri metalice folosite în suspensi vehiculelor feroviare motoare au fost arcurile în foi. Acestea sunt compuse din mai multe lamele metalice de lungimi diferite, suprapuse și asamblate la mijloc cu o brățară de strângere, denumită bridă sau legatură de arc, astfel încât toate lamelele participă simultan la preluarea sarcinii exterioare (Fig.1).

Pentru ca materialu să fie economic utilizat, foile de arc nu au toate aceeași lungime, deosebindu-se trei feluri de foi: foaia principală, prevăzută cu ochiuri de prindere, foaia principală de întărire, care urmează în pachet celei principale și foile secundare. Foaia principală are aceeași lățime pe toată lungimea, inclusiv în zona ochiurilor de prindere, în schimb foile secundare au forme variate la extremități (trapezoidale, triunghiulare, rotunjite, etc). Pentru o mai bună așezate și centrare a foilor în pachet, acestea sunt prevăzute pe una dintre fețe cu un canal iar pe cealaltă față cu o nervură pereche.

Tehnologia de fabricație relativ simplă, montarea și demontarea usoară, precum și posibilitatea de reparare prin înlocuire de foi constituie avantaje care au contribuit la utilizarea lor în suspensiile vehiculelor feroviare, cele mai uzuale variante de arcuri în foi fiind arcul cu două brațe sau semieliptic și arcul închis sau eliptic, format din doua arcuri deschise suprapuse.

Datorită frecării care apare între lamelele sale în momentul în care se aplică forța exterioară, arcul în foi începe să înmagazineze lucru mecanic prin deformare elastică numai după ce forța de frecare dintre foi este egalată de forța exterioară. Astfel, șocurile provocate de variațiile de forțe exterioare care au o valoare inferioară rezultantei forțelor de frecare dintre lamele, sunt transmise direct vehiculului, arcul lamelar fiind insensibil la perturbații mici. La aceasta se adaugă și faptul că amortizarea nu este controlabilă, coeficientul de frecare dintre foile arcului depinzând sensibil de umiditatea dintre aceste, de prezența accidentală a substanțelor lubrifiante sau a ruginii precum și de rugozitatea suprafețelor dintre foilor, în special la cele cu o perioadă îndelungată de exploatare.

În construcția suspensiilor vehiculelor feroviare motoare, arcurile în foi sunt utilizate sub formă de arcuri deschise, simetrice, de tip trapezoidal sau parabolic. La locomotivele diesel din parcul CFR sunt utilizate arcuri deschise, simetrice, trapezoidale în suspensia primară de la locomotivele diesel hidraulice de 1250 CP și arcuri deschise, simetrice, trapezoidale duble cu legătură comună, în suspensia secundară de la locomotivele diesel electrice de 2100 CP.

La arcul lamelar trapezoidal cu dublă flexibilitate, lamelele sunt fixate la mijloc într-o legătură de arc fixă, față de această legătură cele două brațe ale arcului putând fi considerate două solide de egală rezistență încastrate.

Arcurile parabolice prezintă caracteristici îmbunătățite în raport cu cele ale arcurilor trapezoidale. La arcurile lamelare parabolice cu dublă flexibilitate, grosimea lamelelor scade parabolic de la mijloc spre capete, obținându-se eforturi constante pe toată lungimea acestora. Având o concepție specială, aceste arcuri cuprind un număr mic de lamele rezistente și au aceeași lungime (distanța între punctele de reazem) precum și aceeași lățime.

Pentru creșterea siguranței contra deraierii, la circulația vehiculelor cu încărcare variabilă pe căi cu torsionări mari, ameliorarea calității mersului și obținerea unei frecvențe de galop de aproximativ aceeași valoare la toate gradele de încărcare, se recomandă utilizarea de arcurile lamelare cu flexibilitate progresivă.

Deși utilizarea arcurilor lamelare în suspensiile vehiculelor feroviare prezintă avantajele enumerate, domeniul de utilizare al acestora este restrâns la vehicule care nu necesită realizarea unui confort ridicat, cum ar fi vagoanele de marfă, locomotive de manevră sau locomotive care au o viteză de circulație maximă de 120-140 km/h.

Arcurile elicoidale au o mai largă utilizare în construcția suspensiilor vehiculelor feroviare, putând fi executate din sârme sau bare de diferite secțiuni, înfașurate după o elice, pe o anumită suprafață directoare (corp de înfășurare), au un grad ridicat de utilizare a materialului, sunt sensibile chiar și la perturbații mici, tehnologia de fabricare și reparare este relativ simplă și nu necesită întreținere în exploatare.

Arcurile elicoidale pot fi clasificate astfel:

– după forma sectiunii spirei, arcurile elicoidale pot fi: cu secțiune rotundă, cu secțiune pătrată, cu secțiune dreptunghiulară sau cu secțiune profilată;

– după forma suprafeței directoare, arcurile elicoidale pot fi: cilindrice, conice, dublu conice, paraboloidale, hiperboloidale, prismatice etc;

– după modul de acționare a sarcinii, se deosebesc: arcuri elicoidale de compresiune, de tracțiune și de torsiune;

Sub acțiunea unei forțe axiale exterioare, spirele arcurilor elicoidale de compresiune sau de tracțiune sunt solicitate, în principal, la torsiune. Arcurile elicoidale de torsiune au un capăt fix și sunt solicitate de un moment de torsiune. Ca urmare, spira arcului este solicitată în principal la încovoiere.

La arcurile elicoidale, caracteristica de elasticitate este liniară, existând o proporționalitate între sarcina aplicată și deformația arcului. Acest tip de arcuri fiind considerate lipsite de frecări, pot disipa doar o mică parte din energiea acumulată fapt pentru care suspensiile cu astfel de arcuri trebuie să cuprindă și elemente de amortizare a vibrațiilor.

La vehiculele unde este necesar să se asigure sensibilitatea arcurilor chiar și la sarcini reduse, se pot folosi arcurile multiple care în general sunt arcuri duble de aceeași înălțime sau de înălțimi diferite. La cele cu dublă flexibilitate, arcurile componente nu intră de simultan în funcțiune ci încep a lucra împreună de la o anumită valoare a sarcinii aplicată numită sarcină de comutare. Acestui tip de arc îi este proprie o săgeată de comutare va avea două rigidități, în funcție de gradul de încărcare al vehiculului.

Pentru efectuarea calculului unui arc, în general, trebuie să se parcurgă mai multe etape, din care cele mai importante sunt calculul de rezistență, calculul la deformații, calculul rigidității arcului și calculul lucrului mecanic de deformație.

Cel mai utilizat arc în cadrul suspensiilor de vehicule feroviare motoare, este arcul elicoidal cilindric de compresiune. Calculul la deformații al acestuia constă în determinarea deformației arcului, corespunzătoare unei anumite forțe de încărcare. Deformația arcului elicoidal cilindric de compresiune, numită săgeata arcului, este reprezentată de spațiul parcurs de sarcină, ca urmare a rasucirii cu unghiul a întregii bare din care a fost construit arcul (lungimea desfășurată), n fiind numarul spirelor active. Rasucirea spirei arcului se calculeaza cu relatia:

unde: este momentul de torsiune la care este supusă spira arcului sub acțiunea forței perturbatoare F, este diametrul mediu al arcului, d este diametrul spirei, n numărul de spire active, G reprezintă modulul de elasticitate transversal și Ip – momentul de inertie polar al sectiunii spirei arcului.

Pentru calculul săgeții arcului poate fi utilizată relația:

Un avantaj important obținut prin utilizarea arcurilor elicoidale în suspensia vehiculelor feroviare, este acela că elasticitatea sa transversală poate fi folosită pentru asigurarea rapelului transversal al cutiei vehiculului, un exemplu în acest sens fiind suspendarea cutiei pe arcuri înalte tip „FLEXICOIL”, utilizate la locomotivele moderne de mare viteză.

Forța de rapel dezvoltată de un arc elicoidal cilindric cu secțiune rotundă, este proporțională cu deplasarea orizontală y, sub sarcina F și se determină cu relația:

în care : E este modulul de elasticitate al materialului arcului; R – raza spirei arcului; d – diametrul barei; i – numărul spirelor active; h – înălțimea arcului în stare încărcată; y – deformația transversală a arcului.

În ultimii ani sunt utilizate ca elemente de suspensie la vehiculele feroviare, elementele elastice din cauciuc, acest material pretându-se foarte bine la deformări statice care, în funcție de direcția de solicitare (întindere, compresiune, forfecare, răsucire și combinații ale acestora), sunt cuprinse în intervalul 10 … 35 % din dimensiunea inițială a piesei. În acest domeniu, pisele de cauciuc se înscriu în cadrul deformațiilor proporționale cu sarcina, putându-se stabili relații relativ simple între aceste două mărimi.

Elementele de suspensie din cauciuc, se se obțin prin vulcanizare la cald în matrițe, în care amestecul plastic de cauciuc, în contact cu sulful sau cu peroxizii, se transformă în cauciuc elastic și ia forma matriței care reprezintă forma piesei finite. Întrucât după vulcanizare piesa se contractă, matrița se supradimensionează pentru ca piesa rezultată după contracție să aibă dimensiunile cerute. Valoarea supradimensionării este în funcție de rețeta de amestec a cauciucului, contracția fiind specifică fiecărui amestec.

În cazul în care piesa este prevăzută cu armături metalice, acestea se lipesc de cauciuc în matriță în cadrul vulcanizării, folosindu-se adezivi speciali care să asigure o rezistență mare a lipiturii. La piesele de cauciuc pentru suspensii la materialul rulant se recomandă adezivi tip Chemosil, care asigură o rezistență la dezlipiri de circa 100 … 120 daN/cm2.

În practică, deși cauciucul admite deformări foarte mari, este utilizat doar într-un domeniu mult mai restrâns, pentru a se evita deformări care să producă modificări structurale ireversibile în masa cauciucului.

Deformarea cauciucului nu este perfect reversibilă, o piesă supusă la deformare sub acțiunea unei forțe P capătă deformarea f, dependentă de valoarea forței aplicate, dependența respectivă constituind caracteristica de elasticitate. La reducerea până la anulare a sarcinii aplicate, piesa nu revine la forma inițială, păstrând o deformare remanentă.

Un avantaj al utilizării cauciucului, este acela că acesta prezintă fenomenul de hysterezis cauzat de frecările interne din timpul deformării, suprafața cuprinsă între caracteristica de descărcare fiind egală cu lucrul mecanic al forțelor de frecare. La o repetare a încărcării se constată că nu se regăsesc aceleași curbe și nici același lucru mecanic disipat, aceasta datorită unor modificări structurale în material.

În cazul în care un element de suspensie din cauciuc este încărcat cu o sarcină statică Pst , acesta se va deforma cu o săgeată fst. În practică, elementele suspensiei sunt solicitate și cu o suprasarcină alternativă de natură dinamică sub formă de impulsuri, care produc deformarea cauciucului cu o viteză mare. Elementul de cauciuc, solicitat alternativ de forțele statice peste care se suprapun solicitările dinamice se va deforma cu o săgeată suplimentară Δf.

Cu cât viteza de deformare a cauciucului este mai mare, acesta reacționează cu o rigiditate mai pronunțată și bucla de hysterezis dinamic reprezintă o suprafață procentual mai mare în general cu 10 … 40 % față de cea statică și, ca urmare, factorul de amortizare este mai ridicat. Factorul de amortizare prin hysterezis rezultat, este cuprins în intervalul 5 … 50 %, ceea ce reprezintă un procent satisfăcător pentru vehicule feroviare, prin aceasta putându-se renunța la amortizoare și deci realiza suspensii mai simple, mai fiabile și mai ieftine.

Suspensiile semiactive, utilizează elemente elastice și de legătură similare celor de la suspensiile clasice, particularizarea acestor tipuri de suspensii constând în utilizarea unor amortizoare magnetoreologice sau electroreologice.

Amortizoarele reologice utilizează fluide controlabile care au capacitatea de a modifica proprietățile reologice ca efect al modificării unui câmp electric și/sau magnetic, aplicat din exterior acestor fluide.

Fluidele controlabile sunt fluide bifazice formate dintr-un amestec de particule solide aflate în suspensie într-un fluid neutru. Dacă aceste fluide sunt plasate sub acțiunea unui câmpului electric și/sau magnetic, apar într-un timp foarte scurt lanțuri orientate de particule care transformă fluidul dintr-unul vâscos într-unul semisolid, fenomenul fiind reversibil atunci când încetează acțiunea câmpului extern.

La amortizoarele convenționale, caracteristicile disipative sunt determinate de elasticitatea arcurilor supapelor și de dimensiunile orificiilor calibrate care nu se pot modifica în timpul funcționării decât prin adoptarea unor soluții constructive aplicate și puțin fiabile. La amortizoarele cu fluide controlabile caracteristicile disipative rezultă ca o consecință a modificării vâscozității fluidului purtându-se astfel adapta amortizorul la caracteristicile spectrale ale căii de rulare.

Principala condiție care trebuie impusă acestui amortizor este un răspuns rapid și sigur la semnalul electric de comandă a dispozitivului de modificare a câmpului magnetic. Alte cerințe care trebuie respectate sunt consumul redus de energie necesară funcționării, funcționalitatea vehiculului, chiar și la parametrii diminuați, în cazul defectării sistemului și realizarea unor amortizoare cu gabarit redus, amplasarea acestora fiind dependentă de posibilitățile existente pe vehicul.

Sistemul de atenuare a vibrațiilor prin suspensii active, utilizează un lanț electronic de măsura, control si execuție, un sistem mecanic pentru susținerea sarcinii utile, un sistem de acționare hidraulică sau pneumatică pentru modificarea poziției masei suspendate (actuator), senzori, cablaj aferent, etc.

Acest sistem poate compensa energia perturbatoare externă prin introducerea unor noi forțe la intrare în sistem, astfel încât la ieșire să se obțină mărimile dorite.

Principalul element al acestui sistem este actuatorul, care primește comanda de la unitatea de analiză-comparare a parametrilor de ieșire sub formă de semnal electric și corespunzător acestuia, răspunde printr-o forță cu care acționează asupra sistemului mecanic.

Amplasarea acestui dispozitiv, variază funcție de varianta constructivă aleasă pentru vehicul, putând fi amplasat în locul suspensiei secundare, în paralel cu suspensia secundară sau în serie cu aceasta.

Conceptul de introducere a unor forțe pe baza analizei efectuată de sistemul de control activ este un sistem relativ nou în construcția vehiculelor feroviare, multe administații având proiecte în faza de experimentare.

Un exemplu în acest sens este Programul „GRÖNA TÅGET” din Suedia, pentru introducerea unei noi generații de trenuri de mare viteză în zona nordică, experimentul fiind efectuat în cooperare cu Bombardier Transportațion VÄSTERÅS, pe trenurile Regina.

Actuator dezvoltat de firma Liebherr pentru programul „GRÖNA TÅGET”

SUSPENSIA PRIMARĂ

La vehicule feroviare se poate folosi un singur etaj de suspensie, amplasat fie ca suspensie primară între cutia de osie și cadrul boghiului, fie ca suspensie secundară între cadrul boghiului și caroseria vehiculului, cu asigurarea așezării roților boghiului pe suprafața de rulare a căii cu denivelări, supraînălțări, etc, (lonjeroanele cadrului lucrează independent, boghiul fiind un boghiu articulat).

Boghiurile pot fi realizate și ele într-o mulțime de soluții constructive, fapt ce impune anumite restricții suspensiilor, astfel:

– boghiurile cu cadru închis cu traverse frontale sau traverse intermediare rigide trebuie să posede o suspensie a osiilor în vederea adaptabilității boghiului la torsionarea căii;

– boghiurile cu lonjeroane laterale mobile în plan vertical legate elastic printr-o traversă pot să nu posede suspensia osiilor, dar necesită un sistem în interiorul cutiilor de osie care să permită înclinarea osiilor (rulmenți oscilanți);

– boghiurile cu lonjeroane laterale legate prin tuburi având o mare flexibilitate torsională sau cu bare de torsiune, pot avea atât suspensia osiilor, cât și suspensie centrală.

Vehiculele feroviare motoare destinate traficului mixt au în majoritatea cazurilor două etaje de suspensie, suspensia primară fiind așezată între cutiile de osie și rama boghiului. În acest caz, oscilațiile verticale ale etajului primar se cuplează cu cele ale etajului secundar dând două frecvențe proprii, una joasă și alta înaltă.

Majoritatea boghiurilor cunoscute au frecvența joasă cuprinsă între 1,25 și 2 Hz, frecvența cuplată înaltă fiind situată în mod curent între 5 și 8 Hz. Aceste două frecvențe depind de flexibilitatea arcurilor celor două etaje și de masele suspendate ale vehiculului – masa suspendată a boghiului și, respectiv, masa cutiei.

Optimizarea frecvențelor cu care vibrează boghiurile poate fi făcută prin modificarea raportului celor două mase, sau prin modificarea rigidităților suspensiei. Modificarea masei cutiei sau a masei boghiurilor poate fi făcută în limite foarte mici, prin utilizarea unor materiale ușoare și rezistente, utilizarea electronicii de putere, a motoarelor de curent alternativ, osii tubulare, etc, diminuarea masei boghiului influențând în primul rând comportamentul transversal al vehiculului.

Raportul de repartiție a rigidităților pe etaje trebuie să se înscrie și el între anumite limite, o elasticitate prea mare a suspensiei primare contribuind la creșterea amplitudinilor oscilațiilor de galop ale boghiului, care pot produce solicitări excesive ale organelor de frână și variații mari ale sarcinilor pe osii, prejudiciind siguranța circulației.

În proiectarea vehiculelor feroviare motoare, pot să apară situații în care trebuie adoptată soluția unei rigidități mici a suspensiei, în vederea realizării unor anumite săgeți ale suspensiei. În acest caz se pot adopta soluții constuctive de montaj pentru arcuri, cum ar fi montarea acestora nu pe cutia de osie ci în consolă pe brațe de conducere, caz în care se poate obține o flexibilitate mult mai mare. Prin alegerea convenabilă a distanțelor brațului și consolei se poate stabili o flexibilitate convenabilă ca frecvență de oscilație, fiind satisfăcută totodată și condiția de flexiune maximă a suspensiei. O altă metodă este dispunerea orizontală a arcurilor elicoidale ale suspensiei osiei, caz în care arcul este acționat la un capăt de brațul articulat de conducere al osiei, iar celălalt capăt este fixat la cadrul boghiului. Se mărește astfel spațiul disponibil, fapt ce face posibilă dimensionarea arcurilor pentru diferite sarcini și amplasarea de noi echipamente pe boghiu.

Caracteristicile constructive proprii ale boghiului și în special sistemul de legare dintre boghiuri și cutia vehiculului, determină comportamentu vehiculului în direcție transversală. Și mișcarea de șerpuire a boghiului prezintă o importanță deosebită atât pentru stabilitatea vehiculului, deci pentru siguranța circulației, cât și pentru asigurarea confortului transversal.

Izolarea cutiei vehiculului față de mișcările dăunătoare de galop ale boghiurilor, poate fi făcută prin plasarea legăturilor dintre boghiuri și cutie la nivelul centrului de masă al părții suspendate a boghiului. Totodată această legătură trebuie să fie cât mai apropiată de nivelul osiilor, diminuându-se astfel transmiterea mișcărilor parazite longitudinale asupra cutiei.

Pentru reducerea șocurilor și zgomotelor transmise cutiei, este importantă realizarea unei legături elastice între boghiuri și cutia vehiculului, suprimarea pivotului, adoptarea unor soluții de antrenare a cutiei prin bielete cu articulații de metal-cauciuc sau cabluri metalice.

Legarea elastică a pivotului cutiei de boghiu

Pentru suspensia primară, sunt utilizate numeroase tipuri de elemente elastice, cum ar fi arcurile metalice elicoidale (simple sau duble), arcurile de cauciuc formate din straturi succesive de cauciuc și metal, arcurile de cauciuc tip „clopot”, arcurile tip GIGABOX, etc precum și combinații ale acestora.

Arcurile elicoidale, deși au un coeficient sporit de utilizare volumetrică a materialului, au o tehnologie de fabricație simplă și nu necesită mentenanță, sunt lipsite de frecare și deci nu realizează și o amortizare a vibrațiilor, iar utilizate la vehiculele de mare viteză impune o construcție care să nu permită apariția unor tensiuni datorate efectelor dinamice, care se produc atunci când frecvența perturbațiilor exterioare coincide cu una dintre frecvențele proprii ale arcului.

În cazul arcurilor de cauciuc, progresele înregistrate în domeniul chimiei industriale au dus la elaborarea unor tehnologii care asigură o vulcanizarea completă în întreg volumul, fără apariție de goluri, sufluri sau alte defecte, toate acestea cu un cost scăzut.

Pentru o mai bună stabilitate în timp a formei arcului de cauciuc și o mai mare rezistență a lui, un tip constructiv de arcuri de cauciuc au fost prevăzute cu armături metalice care se lipesc de cauciuc în matriță în cadrul vulcanizării, folosindu-se adezivi speciali care să asigure o rezistență mare a lipiturii, de circa 100 … 120 daN/cm².

Cauciucul fiind un material incompresibil, pentru a manifesta elasticitate, piesa de cauciuc trebuie să aibă posibilitatea de a refula, modificându-și forma în cadrul acestui volum, fără însă a-și pierde stabilitatea pe direcție longitudinală sau transversală.

Un alt mare avantaj al acestor arcuri este că acestea prezintă fenomenul de hysterezis , cauzat de frecările interne din timpul deformării.

Piesele din cauciuc utilizate ca elemente de suspensie primară în domeniul feroviar, pot fi supuse la compresiune, întindere, torsiune, forfecare paralelă, forfecare axială, compresiune și răsucire, fapt care a dus la realizarea unor tipuri specifice de arcuri care să răspundă tuturor acestor solicitări.

Cele mai răspândite arcuri de cauciuc utilizate în construcția de vehicule feroviare, sunt cele realizate din straturi succesive de metal și cauciuc, cum ar fi arcurile bloc în „V” având diferite valori ale unghiului, supus la compresiune și forfecare, arcurile conice supuse la compresiune și forfecare, pachetele de arcuri supus la compresiune, etc.

O asemenea suspensie este folosită la locomotiva electrică de 5100 Kw din parcul CFR, unde osiile extreme ale boghiurilor au câte trei straturi succesive de metal și cauciuc iar osiile de mijloc au câte cinci straturi succesive de metal și cauciuc.

Soluțiile moderne pentru eficientizarea suspensiilor primare, se îndreaptă spre combinarea arcurilor elicoidale cu arcuri din cauciuc, combinând în acest fel avantajele ambelor arcuri și dând ansamblului o mai mare siguranță în exploatare.

Suspensie primară cu arcuri metal-cauciuc și arcuri elicoidale montate în paralel

Cele mai uzuale soluții pentru aceste arcuri, sunt montajele cu arcuri metal-cauciuc și arcuri elicoidale amplasate în paralel sau în serie.

Fig. 2 Suspensie primară cu arcuri elicoidale duble și arc de cauciuc montate în serie

Boghiurile și în special cele motoare, trebuie să suporte atât forțe longitudinale mari în timpul regimurilor de tracțiune sau frânare cât și transversale la înscrierea în curbe, cu asigurarea unei poziții stabile a osiei în raport cu sistemul de antrenare al acesteia.

Pentru aceasta, foarte importante în construcția unui boghiu performant sunt elementele de conducere și de legătură.

Cel mai răspândit sistem de conducere utilizat la materialul rulant este sistemul de conducere rigidă al osiilor, sistem care a dat rezultate satisfăcătoare până la viteze de circa 140 km/h, peste această viteză aparând o mărire a lungimii de undă a șerpuirii.

Pentru a se putea circula cu viteze mari, este necesar să se adopte sistemul de conducerea elastică a osiilor, atât în direcție transversală cât și în direcție longitudinală.

La vehiculele moderne, aceasta se realizează cu ajutorul elementelor elastice din cauciuc care, prin capacitatea proprie de amortizare, contribuie la reducerea mișcărilor sinusoidale ale osiilor și totodată asigură o așezare radială osiei la circulația în curbe.

Conducerea fără joc a cutiei de osie se asigură la boghiul Minden-Deutz (fig. 11.11) prin foile de arc 2 care sunt foarte rigide, în direcție transversală.

Cu sistemul de conducere a osiei cu foaie de arc se obțin la șerpuirea osiei montate lungimi de undă suficient de mari (18 … 35 m) indiferent de starea bandajelor și nu apar frecvențe critice în domeniul vitezelor normale de circulație (max. 140 km/h).

Conducerea osiei la boghiul München-Kassel (fig. 11.6) este asigurată de brațele articulate 2 fixate cu bolțuri de cadrul de boghiu 11. Articulația brațului radial cu cadrul boghiului este formată dintr-un silentbloc. Boghiul este utilizat atât la vagoane cât și la automotoare cu viteza maximă de 140 km/h.

La boghiul Y 32 (fig. 11.12) brațul de conducere 1 este legat de cadrul boghiului 2 prin intermediul unui silentbloc 3, de formă biconică, cu posibilități de modificare a elasticității longitudinale și transversale prin strângerea pieselor conice 4.

Influența rigidității suspensiei osiilor longitudinală cx și transversală cy, asupra valorii vitezei critice se poate vedea în fig. 11.13, unde s-au reprezentat curbele de izoviteze critice obținute experimental cu boghiul Y 32

Orientarea nouă în construcția boghiurilor constă în realizarea posibilității de negociere a razelor de curbură, fiecare dintre osiile boghiului așezându-se în poziție radială. Astfel, se produc uzurile suprafețelor de rulare și a buzelor, respectiv a flancurilor de șine, dar se impune să nu se producă instabilități de șerpuire. Pentru aceasta trebuie creat în primul rând un profil de rulare corespunzător și o conjugare în diagonală a poziției cutiilor de osii față de cadrul boghiului

Conducerea elastică a osiilor și crearea posibilităților de așezare radială a acestuia la mersul în curbe stă la baza construcției actualelor tipuri de boghiuri pentru viteze mari.

SUSPENSIA SECUNDARĂ

În suspensia secundară a vehiculelor feroviare motoare, oscilațiile verticale ale etajului primar se cuplează cu cele ale etajului secundar dând două frecvențe proprii, una joasă și alta înaltă.

Din considerente de confort și de apariție a oboselii mecanicului de locomotivă, frecvența joasă se adoptă în jurul valorii de 1 Hz, frecvența cuplată înaltă se adoptă în mod corespunzător între 5 și 8 Hz, ambele frecvențe depinzând de flexibilitatea arcurilor celor două etaje și de masele suspendate care se sprijină pe acestea (masa suspendată a boghiului, respectiv masa cutiei vehiculului).

Dimensionarea celor două etaje de suspensie reprezintă o problemă de optimizare în faza de proiectare, o elasticitate prea mare a suspensiei primare contribuie la creșterea amplitudinilor oscilațiilor de galop ale boghiului care pot produce solicitări excesive ale organelor de frână și variații mari ale sarcinilor pe osii, pe când diminuarea masei boghiului poate influența comportamentul dinamic transversal. Amortizarea puternică a suspensiei primare contribuie la reducerea nivelului accelerațiilor în cutia vehiculului și contribuie la combate efectele nocive ale galopului boghiului.

Frecvența cuplată înaltă a suspensiei și vibrațiile de galop ale boghiului pot să se suprapună peste vibrațiile de încovoiere ale cutiei vehiculului care sunt cuprinse în intervalul 8 – 13 Hz, la rezonanță acest fenomen putând afecta siguranța circulației și integritatea structurii vehiculului.

Asigurarea unei simetrii geometrice și de repartizare a maselor, elasticităților și amortizărilor față de planul transversal care trece prin centrul de masă al boghiului, va face ca mișcarea verticală de săltare a șasiului boghiului să fie decuplată de mișcarea de galop a acestuia iar pentru decuplarea mișcărilor de galop și recul precum și pentru ca să nu se producă încovoierea cutiei vehiculului, trebuie ca centrele de greutate ale cutiei și părților suspendate ale boghiurilor să coincidă, lucru care se poate realiza prin printr-o construcție specială.

SOLUȚII CONSTRUCTIVE PENTRU REALIZAREA SUSPENSIILOR

În costrucțiile europene de vehicule feroviare motoare, două soluții sunt des întâlnite pentru suspensia secundară și anume suspendarea cutiei pe arcuri înalte tip „FLEXICOIL” și utilizarea arcurilor pneumatice.

Suspensiile tip „FLEXICOIL” au avantajul că sunt simple, elimină influențele nocive ale frecărilor produse în organele intermediare de suspendare, stabilitatea transversală fiind asigurată prin folosirea amortizoarelor de tip hidraulic antișerpuire.

Pentru aceste arcuri este obligatoriu să se prevadă suporți alveolari, (datorită raportului înălțime – diametru fiind posibilă pierderea stabilității arcului) și limitatoare din cauciuc pentru menținerea înălțimii tampoanelor.

Suspensiile secundare cu arcuri pneumatice sunt realizate într-o multitudine de forme constructive, cum ar fi arcurile cu burduf cu 1/2, 1, 2 sau 3 bucle, arcurile cu membrană, arcurile cu diafragmă și armătură exterioară, etc.

Arcul cu burduf poate fi format din unul sau mai multe toruri între care sunt montate inele de fretare, pentru mărirea stabilității arcului.

Arcul cu diafragmă are carcasa superioară cu diametru mai mare decât cea inferioară, uneori având forma de clopot.

Fig. 4 Arcuri pneumatice pentru vehicule feroviare motoare

a – arc pneumatic cu diafragmă circulară; b – arc pneumatic cu burduf dublu; c – arc pneumatic cu diafragmă convolută; d – arc pneumatic cu diafragmă convolută și armătură exterioară de protecție

Constructiv, toate tipurile de suspensie pneumatică sunt alimentate de la instalația de aer comprimat a vehiculului, în acest fel asigurându-se o înălțime de lucru constantă a pernelor pneumatice, indiferent de valoarea sarcinii statice aplicate axial asupra pernei – înălțimea nominală de lucru. Aceste instalații asigură introducerea unei cantități de aer în pernă atunci când sarcina statică crește, presiunea interioară de aer se mărește, fapt care provoacă “umflarea” pernei până la înălțimea nominală de lucru, moment în care se întrerupe introducerea aerului. Fenomenul se produce în sens invers în cazul în care sarcina aplicată pernei scade.

Rigiditatea axială a unei perne pneumatice, este proporțională cu raportul dintre forța aplicată și deformarea elementului elastic, iar forța este dată de produsul aria suprafeței echivalente și presiunea din pernă.

În general, volumul de aer necesar pentru realizarea unei rigidități convenabile pentru suspensii nu poate fi satisfăcut de volumul pernei propriu-zise, cu încadrarea acesteia într-un gabarit convenabil, fiind necesar un volum suplimentar de aer care se obține prin rezervoare auxiliare de aer, puse în legătură directă cu perna.

Pentru dimensionarea unui arc pneumatic de suspensie verticală, care să corespundă unei anumite sarcini sau domeniu de sarcini și unei rigidități stabilite, trebuie să se țină seama în principal de următoarele:

– presiunile maxime de aer admise în pernele pneumatice utilizate la vehicule pe șine nu pot depăși, în practică, valori de 5 … 7 bar, limitarea fiind impusă de rezistența membranelor de cauciuc, precum și de presiunile nominale de lucru ale surselor de aer comprimat de locomotive;

– dimensiunile pernelor pneumatice (diametru și înălțime) trebuie corelate cu gabaritele de montaj disponibile;

– trebuie să se amplaseze rezervoare auxiliare de aer în comunicare directă cu pernele pneumatice ale suspensiei centrale, (pentru arcurile pneumatice utilizate în suspensia primară, datorită rigidității mari a acesteia asemenea rezervoare nu sunt necesare);

– rigiditatea suspensiei crește odată cu suprafața echivalentă a pernei și cu presiunea interioară a acesteia;

– rigiditatea este cu atât mai mică, cu cât volumul de aer interesat este mai mare;

– rigiditatea proprie a cauciucului din care este confecționat elementul de suspensie este neînsemnată și poate fi neglijată;

– rigiditatea datorată variației suprafeței echivalente la deformarea pernei, pentru amplitudini reduse ale oscilațiilor, poate fi neglijată în special la pernele tip membrană, utilizate la înălțimea nominală de lucru.

Rigiditatea transversală a arcului pneumatic este influențată de tipul și forma acestuia, de presiunea interioară de aer cu care variază direct proporțional și de sarcina verticală care încarcă perna.

Rigiditatea transversală la pernele tip membrană este mai mare decât la pernele tip burduf și ea crește în cazul în care arcul are și armătură metalică exterioară.

La aceste arcuri, fenomenul de hysterezis este neînsemnat pe direcție transversală, indiferent de tipul arcului, deformarea membranei sau burdufului de cauciuc consumând o energie interioară foarte mică și ca urmare este necesar să se asigure o amortizare suplimentară a oscilațiilor transversale, amortizare care se realizează în majoritatea cazurilor cu amortizoare hidraulice având forțe de amortizare de 500 … 800 daN pentru viteze ale pistonului de 5 … 15 cm/s.

Pentru prevenirea mersului șerpuit al boghiurilor este indicat ca elementul de amortizare să asigure forțe mari pentru viteze reduse ale pistonului amortizorului.

La mersul vehiculului în curbe, apariția forței centrifuge impune compensarea acesteia prin supraînălțarea căii de rulare, suspensia vehiculului urmând să compenseze insuficiența de supraînălțare a căii, fapt care permite creșterea vitezei de circulație a trenurilor fără compensarea insuficiența de supraînălțare a căii prin retrasarea curbelor sau prin construcția specială a suspensiilor vehiculelor feroviare.

Având în vedere că pe anumite căi ferate circulă atât vehicule destinate traficului de marfă, vehicule destinate traficului regional de călători cât și vehicule destinate traficului de călători de mare viteză, s-a considerat că este mult mai economic realizarea unor suspensii pentru vehiculele destinate traficului de călători de mare viteză cu suspensii care să compenseze insuficiența de supraînălțare a căii, prin mărirea posibilității de înclinare a cutiei cu sisteme pasive sau cu ajutorul unor dispozitive speciale – suspensii de tip activ.