Valeriu Ştefan Pp Constantele Elastice Ale Suspensiilor Vehiculelor Feroviare Motoare

Embed Size (px)

Text of Valeriu Ştefan Pp Constantele Elastice Ale Suspensiilor Vehiculelor Feroviare Motoare

  • CONSTANTELE ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR

    FEROVIARE MOTOARE

    Gabriel Popa , Valeriu tefan

  • CONDIII FUNCIONALE I CONSTRUCTIVE IMPUSE SUSPENSIEI Suspensia unui vehicul feroviar este un ansamblu de elemente

    elastice, elemente de amortizare i elemente de legtur, care are rolul de a izola vehiculul fa de vibraiile perturbatoare ce iau natere n timpul rulrii, de a asigura o comportament dinamic stabil, cu fore de ghidare ct mai mici, att la mersul n aliniament ct i la trecerea prin curbe sau peste aparatele de cale.

    Pentru vehiculele feroviare motoare, uzual este sistemul cu dou etaje de suspensie, un etaj ntre cutiile de osie i rama boghiului - suspensia primar i un etaj ntre partea suspendat a boghiului i cutia locomotivei - suspensia secundar.

  • SUSPENSIA PRIMAR Pentru suspensia primar sunt utilizate numeroase tipuri de elemente

    elastice, cum ar fi arcurile metalice elicoidale (simple sau duble), arcurile formate din straturi succesive de cauciuc i metal, arcurile de cauciuc tip clopot, arcurile tip GIGABOX, precum i combinaii ale acestora.

    Soluiile moderne pentru eficientizarea suspensiilor primare, se ndreapt spre combinarea arcurilor elicoidale cu arcuri din cauciuc, aceste soluii combinnd avantajele ambelor arcuri i dnd ansamblului o mai mare siguran n exploatare.

  • SUSPENSIA PRIMAR

    Fig. 2 Suspensie primar cu arcuri elicoidale duble, arc auxiliar de cauciuc i limitator

  • SUSPENSIA PRIMAR

    Foarte importante n realizarea unei suspensii eficiente sunt i elementele de legtur dintre arcuri i boghiuri, brae de conducere i boghiu, cuplaje elastice transversale, limitatoare de deplasare, etc.

    Fig. 3 Elemente de legtur

    a , b elemente de legtur; c silentbloc cu elasticitate variabil;

    d element de cuplare elastic a articulaiilor

  • SUSPENSIA SECUNDAR

    n suspensia secundar a vehiculelor feroviare motoare, oscilaiile verticale ale etajului primar se cupleaz cu cele ale etajului secundar rezultnd dou frecvene proprii, una joas i alta nalt.

    Din considerente de confort i de apariie a oboselii, frecvena joas se adopt n jurul valorii de 1 Hz, frecvena cuplat nalt se adopt n mod corespunztor ntre 5 i 8 Hz, ambele frecvene depinznd de flexibilitatea arcurilor celor dou etaje i de masele suspendate care se sprijin pe acestea (masa suspendat a boghiului, respectiv masa cutiei vehiculului).

  • SUSPENSIA SECUNDAR

    Dimensionarea celor dou etaje de suspensie reprezint o problem de optimizare n faza de proiectare, o elasticitate prea mare a suspensiei primare contribuie la creterea amplitudinilor oscilaiilor de galop ale boghiului care pot produce solicitri excesive ale organelor de frn i variaii mari ale sarcinilor pe osii, pe cnd diminuarea masei boghiului poate influena comportamentul dinamic transversal. Amortizarea puternic a suspensiei primare contribuie la reducerea nivelului acceleraiilor n cutia vehiculului i contribuie la combate efectele nocive ale galopului boghiului.

  • SUSPENSIA SECUNDAR

    Frecvena cuplat nalt a suspensiei i vibraiile de galop ale boghiului pot s se suprapun peste vibraiile de ncovoiere ale cutiei vehiculului care sunt cuprinse n intervalul 8 - 13 Hz, la rezonan acest fenomen putnd afecta sigurana circulaiei i integritatea structurii vehiculului.

    Asigurarea unei simetrii geometrice i de repartizare a maselor, elasticitilor i amortizrilor fa de planul transversal care trece prin centrul de mas al boghiului, va face ca micarea vertical de sltare a asiului boghiului s fie decuplat de micarea de galop a acestuia iar pentru decuplarea micrilor de galop i recul precum i pentru ca s nu se produc ncovoierea cutiei vehiculului, ar trebui ca centrele de greutate ale cutiei i prilor suspendate ale boghiurilor s coincid, lucru care se poate realiza prin doar printr-o construcie special.

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

    Pentru studiul vibraiilor vehiculelor feroviare motoare pot fi utilizate reprezentri ale acestora prin modele mecanice echivalente, alctuite din mase rigide legate ntre ele prin elemente elastice i de amortizare, considerate fr mas proprie.

    Adoptarea unor ipoteze simplificatoare i neglijarea unor termeni nesemnificativi n comparaie cu ceilali, pot da informaii calitative i chiar cantitative utile studiului, n faza preliminar.

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE ntre etapele preliminare din proiectarea suspensiilor unui vehicul

    feroviar, este i cea de determinare a sgeilor statice ale arcurilor suspensiei, lucru care ne permite determinarea ulterior a rigiditii suspensiei verticale i implicit stabilirea constantelor elastice ale arcurilor.

    Cosidernd cazul general al vehiculelor feroviare motoare care sunt prevzute cu boghiuri i care au dou etaje de suspensie, un etaj fiind constituit din suspensia osiilor i etajul secund fiind suspensia central a boghiurilor, determinarea sgeilor statice ale arcurilor se realizeaz utiliznd modelele mecanice echivalente.

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

    Fig. 5 Modelul mecanic echivalent al unui vehicul pe

    boghiuri, cu dou etaje de suspensie

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

    Fig. 6 Modelul echivalent cu dou grade de libertate

    Modelul echivalent cu dou grade de libertate, pentru acest vehicul

    este prezentat n fig.6, n aceast figur fiind folosite urmtoarele relaii:

    m2 = mb ; m1 =1

    2mc

    c1 = 2cc ; c2 = 4cb

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

    Notnd cu sgeile statice ale arcurilor din suspensia central i cu sgeile statice ale arcurilor din suspensia osiilor, din condiia de echilibru pe axa vertical a forelor statice, rezult:

    i (1)

    ntre pulsaiile proprii i rigiditile echivalente ale modelului echivalent cu dou grade de libertate exist relaiile:

    i

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE Prin scrierea sumelor i a produsele ptratelor pulsaiilor proprii

    funcie de sgeile statice, vor rezulta relaiile (2):

    Pentru stabilirea relaiilor dintre frecvenele proprii i sgeile statice ale arcurilor suspensiei, se nlocuiesc relaiile dintre pulsaiile proprii i frecvenele proprii n relaiile de mai sus i obinem relaiile (3):

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE Construind o ecuaie de gradul doi cu sumele i produsele sgeilor

    statice, rdcinile acestei ecuaii vor fi:

    Avnd n vedere c sgeile sunt mrimi reale, trebuie ndeplinit i condiia:

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

    Impunnd frecvenei proprii joase a vehiculului valori n jurul a 1 Hz i frecvenei proprii nalte a vehiculului valori de la 5 Hz 8 Hz, pot fi calculate sgeile statice ale arcurilor suspensiilor i apoi se pot determina rigiditile etajelor de suspensie, deci implicit ale arcurilor ce compun aceste suspensii, funcie de soluia constructiv adoptat.

    Pentru aprecierea global a suspensiei, trebuie s se determine rigiditatea total a sistemului, i coeficienii de repartiie pe etaje ai acestei rigiditi, i care se calculeaz cu relaiile:

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

  • DETERMINAREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE SUSPENSIILOR VEHICULELOR FEROVIARE MOTOARE

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT Se adopt 2,9 Hz noua valoare a frecvenei minime a suspensiei

    primare, fiind prima valoare pentru care expresia anterioar este pozitiv.

    Se determin variaia valorilor sgeii suspensiei cutiei n funcie de variaia frecvenei suspensiei primare cu relaia (4) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 0,162 m pentru 2,9 Hz i 0,242 m pentru 8Hz.

    Fig.1 Variaiei valorilor sgeii suspensiei cutiei n funcie de variaia frecvenei suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

    Se determin variaia rigiditii suspensiei cutiei funcie de variaia frecvenei suspensiei primare, cu relaia (1) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 1968000 N/m pentru 2,9 Hz i 1316000 N/m pentru 8Hz.

    Fig.2 Variaiei valorilor rigiditii suspensiei cutiei funcie de variaia frecvenei suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT Se determin variaia valorilor sgeii suspensiei osiilor n funcie de

    variaia frecvenei suspensiei primarei cu relaia (4) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 0,116 m pentru 2,9 Hz i 0,01 m pentru 8Hz.

    0 0.05 0.12

    4

    6

    8

    10

    z2

    f2 z2

    Fig.3 Variaiei valorilor sgeii suspensiei osiilor n funcie de variaia frecvenei

    suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

    Se determin variaia rigiditii suspensiei osiilor funcie de variaia frecvenei suspensiei primare, cu relaia (1) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 4505000 N/m pentru 2,9 Hz i 51260000 N/m pentru 8Hz.

    Fig.4 Variaiei valorilor rigiditii suspensiei osiilor funcie de variaia frecvenei

    suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

    Se determin variaia sgeii totale a suspensiei vehiculului cu relaia (7) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 0,278 m pentru 2,9 Hz i 0,252 m pentru 8Hz.

    Fig.5 Variaiei valorilor sgeii totale a suspensiei vehiculului n funcie de variaia

    frecvenei suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

    Se determin variaia rigiditii totale a suspensiei vehiculului funcie de variaia frecvenei suspensiei primare cu relaia (5) i se constat c aceasta are valori cuprinse ntre 1370000 N/m pentru 2,9 Hz i 1283000 N/m pentru 8Hz.

    Fig.6 Variaiei valorilor rigiditii totale a suspensiei vehiculului funcie de variaia

    frecvenei suspensiei primare

  • EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIREA CONSTANTELOR ELASTICE ALE UNEI LOCOMOTIVE ELECTRICE PE BOGHIURI PENTRU SERVICIU MIXT

    Valorile determinate prin calcule pentru sgeile celor dou etaje de suspensie, rigiditile elementelor elastice i rigiditatea total a sistemului, la variaia frecvenei suspensiei primare n intervalul de frecven 2,9 Hz 8 Hz, au fost tabelate, pe baza acestor valori au fost trasate graficele de variaie a sgeii suspensiei cutiei, a sgeii suspensiei osiilor, a sgeii totale a suspensiei, a rigiditii suspensiei osiilor, a rigiditii suspensiei secundare i a rigiditii totale.

    n acest fel se poate stabili setul de valori care se adapteaz cel mai bine la vehiculul studiat.

  • CONCLUZII Analiznd graficele prezentate mai sus, au rezultat urmtoarele: din variaia valorilor sgeii suspensiei cutiei n funcie de variaia

    frecvenei suspensiei primare (fig. 1), se constat c de la valoarea de aproximativ 4,5 Hz, sgeata suspensiei secundare nu mai crete semnificativ odat cu creterea frecvenei;

    din variaia valorilor sgeii totale a suspensiei n funcie de variaia frecvenei suspensiei primare (fig. 5), se constat c de la valoarea de aproximativ 4,5 Hz, sgeata total a suspensiei primare crete semnificativ cu creterea frecvenei, trecnd de 260 mm, valoare acceptat ca prag superior;

    la o frecven adoptat de 4,6 Hz n suspensia primar, rigiditile celor dou etaje de suspensie sunt c1=1.402x106 N/m n suspensia secundar i c2=1.591x107 N/m n suspensia primar, valori optime pentru suspensii de locomotive.

  • CONCLUZII Din analiza studiului prezentat a rezultat c valorile obinute pentru

    sgeile celor dou etaje de suspensie, sgeata total, rigiditile arcurilor celor dou suspensii, rigiditatea total i coeficienii de repartiie a celor dou rigidi, se ncadreaz n valorile prescrise n documentaia de specialitate pentru locomotive electrice.

    n cazul locomotivelor diesel, la care rezervorul de combustibil are influn n masa total a cutiei, se va lua n calcul masa locomotivei cu rezervorul jumtate plin i se vor determina sgeile minime i maxime precum i frecvenele minime i maxime ale fiecrui etaj de suspensie, cu aceeai metod.

    Pentru automotoare sau a rame electrice, metoda de calcul va fi cea utilizat pentru vagoanele de cltori.

  • BIBLIOGRAFIE

    BURADA. C. Elemente i structuri portante ale vehiculelor de cale ferat, Ed. Tehnic 1980.

    SEBEAN, I., Dinamica Vehiculelor de Cale Ferat, Editura Tehnic, Bucureti, 1995.

    SEBEAN, I., MAZILU, T., Proiectarea Suspensiilor, Editura MatrixRom, Bucureti, 2004.

    SEBEAN, I., COPACI, I., Teoria Sistemelor Elastice la Vehiculele Feroviare, Editura MatrixRom, Bucureti, 2003.

  • MULUMESC