Rodzaje podwozi i wózki > Usprężynowanie

Pojazdy szynowe poruszają się w kierunku wyznaczonym przez tor - jest to tzw ruch podstawowy pojazdu, który jest zaburzany ruchami szkodliwymi, które wywołują obciążenia pochodzące od nierówności toru, zachowania dynamicznego pojazdu oraz luzów pomiędzy szynami, a obrzeżami kół zestawów kołowych.
Odpowiednia konstrukcja wózków i układów oparć nadwozi w tym stosowanie elementów dwustopniowego usprężynowania, czyli więzów sprężystych pomiędzy kadłubami łożysk osi zestawów kołowych, a ramą wózka oraz pomiędzy ramą wózka, a nadwoziem pojazdu wpływa na zmniejszanie szkodliwych obciążeń dynamicznych poziomych i pionowych, powstających podczas jazdy zapewniając jednocześnie wymaganą spokojność biegu pojazdu. Należy tu zauważyć, że obciążenia szkodliwe są tym większe im większa jest prędkość jazdy pojazdu.
Usprężynowanie powinno mieć wpływ na zmniejszenie wrażliwości pojazdu w stosunku do stanu toru.
Przy projektowaniu miękkości usprężynowania pionowego pojazdu należy przewidzieć dopuszczalną stateczność poprzeczną pojazdu, co jest szczególnie ważne, przy elektrycznych pojazdach trakcyjnych ze względu na współpracę ich odbieraka prądu (pantografu) z siecią trakcyjną. Nadmiernie wychylenie boczne pudła pojazdu mogłoby spowodować zesunięcie się przewodu jezdnego poza obszar roboczy części ślizgowej odbieraków.

Występujące drgania podczas jazdy dzieli się na drgania proste i skrętne takie jak:
- szarpania - drgania w kierunku wzdłużnym,
- przesunięcia boczne - drgania w kierunku poprzecznym,
- podskakiwania - drgania w kierunku pionowym,
- kołysania poprzeczne - drgania skrętne wokół osi wzdłużnej,
- pochylania (galopowanie) - drgania skrętne wokół osi poprzecznej,
- obracanie w płaszczyźnie poziomej - drgania skrętne wokół osi pionowej,

Do charakterystycznych niekorzystnych ruchów pojazdu należy wężykowanie, które występuje gdy podstawowy ruch pojazdu jest zakłócany przesunięciami poprzecznymi i ruchami obrotowymi wokół osi pionowej.

 
Zjawisko wężykowania zestawu kołowego - animacja




1) Usprężynowanie i rodzaje elementów sprężystych:

 
Usprężynowanie I i II stopnia - przykłady (schemat)


Zastosowane elementy sprężyste w ramach usprężynowania są dobierane w zależności od prędkości jazdy pojazdu, jego masy oraz typu zastosowanych rozwiązań prowadzenia zestawów kołowych czy też oparć nadwozia itp. W przypadku stosowania sprężyn śrubowych lub pneumatycznych ze względu na brak występującego w nich oporu wewnętrznego (brak cech samohamowności), to wraz z nimi stosuje się amortyzatory hydrauliczne, pełniące funkcję tłumików drgań.

 
Przykładowy amortyzator hydrauliczny (tu: poziomy - wężykowania), fot. 2 przedstawia makietę tłumika


W powszechnie stosowanym, w taborze kolejowym dwustopniowym usprężynowaniu pierwszy stopień usprężynowania tworzy filtr mechaniczny amortyzujący drgania przenoszone z zestawu kołowego na ramę wózka. W skład tego stopnia usprężynowania wchodzą wszystkie więzy sprężyste zastosowane w pojeździe pomiędzy łożyskami głównymi zestawów kołowych, a ramą wózka (pojazdy wózkowe) lub ostoją pojazdu (pojazdy ostojnicowe).
Elementami sprężystymi w tym rozwiązaniu są w starszych pojazdach sprężyny stalowe piórowe (resory), a w nowszych konstrukcjach sprężyny śrubowe naciskowe (pojedyncze lub wielokrotne), sprężyny gumowe lub sprężyny metalowo - gumowe.

Jeżeli ramy wózków oparte są na łożyskach głównych poprzez niezależne dla każdego zestawu kołowego zespoły sprężyn to w pojeździe zastosowano usprężynowanie indywidualne.

   
Usprężynowanie I stopnia indywidualne - sprężyna piórowa (resor) i sprężyny śrubowe naciskowe


 
Usprężynowanie I stopnia indywidualne - sprężyna piórowa (resor) i pierścieniowe amortyzatory gumowe


 
Usprężynowanie I stopnia indywidualne - sprężyny śrubowe naciskowe i amortyzator hydrauliczny


 
Usprężynowanie I stopnia indywidualne - sprężyny metalowo-gumowe stożkowe


 
Usprężynowanie I stopnia indywidualne - sprężyny śrubowe naciskowe
(brak amortyzatora podyktowany typem zastosowanego prowadzenia zestawu kołowego)



Jeżeli sprężyny usprężynowania poszczególnych zestawów kołowych są powiązane między sobą np. wahaczami, to taki układ nazywamy usprężynowaniem sprzężonym. Rozwiązanie takie spotykane jest w starszego typu lokomotywach z wózkami trzyosiowymi (np. ET22, SM31, ST44, ST48).

 
Usprężynowanie I stopnia sprzężone - sprężyny piórowe (resory) połączone wahaczami





Drugi stopień usprężynowania (jeżeli występuje) tworzy filtr mechaniczny amortyzujący drgania przenoszone z wózka na nadwozie. Elementami sprężystymi w tym rozwiązaniu mogą być sprężyny śrubowe naciskowe lub dwufunkcyjne, sprężyny pneumatyczne, sprężyny metalowo - gumowe naciskowe lub dwufunkcyjne.

 
Usprężynowanie II stopnia - sprężyny śrubowe naciskowe i amortyzatory hydrauliczne


 
Usprężynowanie II stopnia - sprężyny śrubowe dwufunkcyjne typu "flexicoil" i amortyzatory hydrauliczne


 
Usprężynowanie II stopnia - sprężyny metalowo-gumowe dwufunkcyjne


   
Usprężynowanie II stopnia - sprężyny pneumatyczne i amortyzatory hydrauliczne

Poniżej fotografia wózka wagonu towarowego, który posiada tylko drugi stopień usprężynowania ze wzgledu na zastosowanie sztywnego prowadzenia zestawów kołowych.


Wózek z prowadzeniem sztywnym zestawów kołowych - występuje tylko II stopień usprężynowania

Opis elementów sprężystych stosowanych w usprężynowaniu pojazdów szynowych:

a) Sprężyny stalowe piórowe (resory) składają się z zespołu płaskich sprężyn zwanych piórami, które w części środkowej ujęte są opaską z zaciśniętym klinem.
Pióra dzielą się w zależności od konstrukcji na główne i podpierające i układane są na sobie w malejącej długości.
Ponieważ resory wykazują dość dużą sztywność, aby zwiększyć elastyczność więzu, na końcach piór głównych stosuje się dodatkowe amortyzatory gumowe w kształcie pierścieni lub sprężyny śrubowe, pracujące szeregowo z resorami (dot. I st. usprężynowania).

Poprzez odpowiednio ukształtowany sworzeń obejmy resora jest on zamontowany do kadłuba łożyska osiowego. Końce piór głównych są montowane odpowiednio do ramy wózka (pojazdy wózkowe) lub ramy nadwozia (pojazdy ostojnicowe). Jednym rozwiązaniem jest zastosowanie otworów na końcach piór głównych. Przez otwory te przechodzą wieszaki zamocowane do ramy wózka, poprzez które rama opiera się na sprężynach. W drugim przypadku końce piór głównych są zawinięte w kształt oczek, poprzez które przechodzą sworznie kozłów zawieszenia ramy nadwozia.

 
Sprężyna stalowa piórowa (resor) z oparciem ramy wózka przez wieszaki i dodatkowe amortyzatory gumowe (opis na powiększeniu)


 
Sprężyna stalowa piórowa (resor) z oparciem wózka przez wieszaki kozłowe (opis na powiększeniu)


 
Sprężyna stalowa piórowa (resor) z oparciem nadwozia przez wieszaki kozłowe (opis na powiększeniu)



b) Sprężyny stalowe śrubowe (walcowe) to odpowiednio nawinięte na gorąco pręty o przekroju kołowym. Sprężyny takie mogą być prawo lub lewoskrętne w zależności od kierunku ich nawijania.
W zależności od konstrukcji pojazdu mogą one pracować w wersji pojedynczej lub wielokrotnej. Wielokrotność polega na zastosowaniu współosiowo zamontowanych sprężyn przeciwnie skręconych (jedna sprężyna w drugiej). Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenie gabarytów jakie musiałaby mieć pojedyncza sprężyna dla zapewnienia odpowiedniej nośności (charakterystyki). Układ przeciwskrętny stosuje się w celu zabezpieczenia przed ewentualnym podejściem zwojów sprężyn między sobą podczas ich pracy.
Sprężyny śrubowe dzielą się na: sprężyny naciskowe, przenoszące tylko ruchy tylko wzdłuż ich osi (stosowane w I i II st. usprężynowania) oraz sprężyny dwufunkcyjne typu „flexicoil”, czyli w tłumaczeniu z angielskiego: „giętka spirala”, przenoszące zarówno ruchy wzdłuż ich osi jak również ruchy poprzeczne i wzdłużne (stosowane tylko w II st. usprężynowania).
Sprężyny dwufunkcyjne z jednej strony osadza się w gniazdach na podłużnicach ramy wózka, a z drugiej strony wspiera się na nich nadwozie. Ponieważ ten typ sprężyn przenosi zarówno ruchy pionowe jak i poziome nie ma potrzeby stosowania pośrednich elementów oparć nadwozia takich jak np. belek bujakowych, czy skrętowych, które realizują skrętność wózka, gdyż same te sprężyny zapewniają odpowiednią podatność skrętną.
Powyższe elementy pośrednich oparć nadwozia są konieczne przy zastosowaniu sprężyn śrubowych naciskowych w II stopniu usprężynowania, gdyż w związku z wyłączną pracą pionową sprężyn nie ma możliwości zapewnienia skrętności wózka, bez elementów pośrednich.

 
Sprężyny stalowe naciskowe (walcowe)


     
Sprężyny stalowe naciskowe w układzie wielokrotnym


Parametry sprężyn sprawdza się na specjalnych prasach pomiarowych. Dzięki takim urządzeniom można prawidłowo dobrać charakterystyki sprężyn do konkretnego układu.

 
Sprężyny stalowe naciskowe w układzie wielokrotnym podczas pomiarów charakterystyki


   
Sprężyny śrubowe dwufunkcyjne typu "flexicoil" w wersji wielokrotnej (tylko II st. uspr.)



Schemat sprężyny śrubowej walcowej
widok w przekroju - rysunek poglądowy


Wypłaszczenia przekroju pręta na końcach sprężyny służą prawidłowemu oparciu się sprężyn w dedykowanych dla nich gniazdach

 
Przykładowe gniazdo sprężyny stalowej w podłużnicy ramy wózka i sprężyny wielokrotne w gnieździe





c) sprężyny gumowe występują w postaci płyt płaskich lub kątowych, krążków, pierścieni stożkowych lub cylindrycznych. Mają dużą zdolność tłumienia drgań o wysokiej częstotliwości oraz dużą pojemność energetyczną względem masy. Przykładem sprężyn gumowych mogą być te wspomagające układ usprężynowania z zastosowaniem sprężyn piórowych (resorów) w formie amortyzatorów pierścieniowych. Sprężyny gumowe można również spotkać np. w układach z prowadzeniem kolumnowym zestawów kołowych. Pierścienie gumowe, przedzielone podkładkami stalowymi zabudowane są pomiędzy ramą wózka, a kadłubem łożysk osiowych.
Sprężyn gumowych nie należy mylić ze sprężynami metalowo-gumowymi.



d) sprężyny metalowo-gumowe to elastyczne bloki w których skład wchodzą elementy gumowe odpowiednio zwulkanizowane z elementami metalowymi. Wulkanizacja w tym przypadku polega na trwałym powleczeniu (sklejeniu) gumą elementów metalowych.
W I stopniu usprężynowania najczęściej stosuje się sprężyny metalowo – gumowe typu stożkowego lub klinowego.

   
Sprężyny metalowo-gumowe stożkowe

 
Sprężyna metalowo-gumowa klinowa


Sprężyny metalowo-gumowe pełnią w pierwszym stopniu usprężynowania podwójną rolę - oprócz usprężynowania odpowiadają bezpośrednio za prowadzenie zestawu kołowego (przenoszenie sił pociągowych z zestawów kołowych na ramę wózka lub ramę nadwozia) w wyniku czego nie ma potrzeby stosowania dodatkowych elementów prowadzenia (kolumn, wahaczy, cięgien itp.)


Wśród sprężyn metalowo-gumowych wyróżnia się również sprężyny dwufunkcyjne pracujące w płaszczyźnie pionowej i poziomej, w ramach II stopnia usprężynowania. Aanalogicznie jak sprężyny stalowe, śrubowe typu „flexicoil”, zapewniają odpowiednią podatność skrętną wózka względem nadwozia.
Przykładowo taki typ sprężyny składa się z pełnych krążków gumowych ze zawulkanizowanymi metalowymi płytkami. Taki zespół (krążek + 2 płytki metalowe na czołach) ustawione są na sobie, a ich wzajemną pozycję ustalają krótkie czopy stalowe zlokalizowane w osi pionowej. Zespoły krążków (bloki) przenoszą obciążenia pionowe poprzez ściskanie, a poprzeczne i wzdłużne poprzez ścinanie.

   
Sprężyna metalowo-gumowa dwufunkcyjna (opis na pow.)




Schemat sprężyny metalowo-gumowej dwufunkcyjnej
widok w przekroju - rysunek poglądowy


Innym rodzajem sprężyny metalowo-gumowej dwufunkcyjnej jest rozwiązanie zastosowane w poniżej przedstawionej lokomotywie firmy GANZ. Drugi stopień usprężynowania realizują tu płaskie, kwadratowe płyty gumowe zwulkanizowane z kwadratowymi płytkmi metalowymi.

 
Sprężyny metalowo-gumowe dwufunkcyjne o przekroju kwadratowym


Charakterystyka pracy sprężyn dla poszczególnych kierunków ich pracy (m.in. parametry sztywności), a więc ich budowy i parametrów miesznki gumowej jest ustalana przez producenta elementów na etapie ich projektowania według danych wynikających z obliczeń dynamicznych i obciażeniowych projektowanego pojazdu >
Po wyporodukowaniu sprężyn metalowo-gumowych nie ma możliwosci zmiany ich charakterystyki.





e) sprężyny pneumatyczne występują w wersjach membranowych lub półtoroidalnych.
Sprężyny membranowe mają małą odkształcalność poprzeczną i wzdłużną w związku z czym muszą być stosowane z pośrednimi elementami oparcia nadwozia takimi jak np. belki bujakowe, aby wózek miał zapewnioną prawidłową skrętność w płaszczyźnie poziomej zgodnie z kierunkiem przebiegu toru.
Sprężyny półtoroidalne nie wymagają stosowania pośrednich elementów oparcia nadwozia, gdyż ze względu na inny kształt powłoki miecha mają właściwości, umożliwiające dużą odkształcalność poprzeczną i wzdłużną (nawet do 120 mm) w zakresie promieni łuków torowych, jakie występują na kolei. Sprężyny półtoroidalne zabudowane są analogicznie jak sprężyny dwufunkcyjne, bezpośrednio na podłużnicach (belkach ostojnicowych) wózka. Od góry na płytach montażowych sprężyn wsparte jest nadwozie.

 
Sprężyna pneumatyczna - widok od dołu z widoczną sprężyną dodatkową (awaryjną)


 
Stanowisko do badań wytrzymałościowych sprężyny (widoczna podatność w płaszczyźnie poziomej)


Sprężyna pneumatyczna półtoroidalna składa się z płyty mocującej, pierścienia, powłoki gumowej zwanej miechem wypełnionej sprężonym powietrzem oraz sprężyny dodatkowej metalowo-gumowej. Sprężyna dodatkowa pełni funkcję awaryjną - w przypadku ubytku powietrza w miechu przejmuje obciążenia i umożliwia kontynuowanie jazdy z obniżoną prędkością.


Schemat sprężyny pneumatycznej półtoroidalnej
widok w przekroju - rysunek poglądowy


 
Sprężyna pneumatyczna w przekroju

Usprężynowanie pneumatyczne wymaga układu zasilania pneumatycznego sprężonym powietrzem i sterowania. W układzie pneumatycznym pojazdu znajduje się zawór ważący, który mierzy aktualne obciążenie pojazdu i na podstawie tych pomiarów reguluje ciśnienie w sprężynach, powodujące utrzymanie nadwozia pojazdu na jednakowym poziomie względem poziomu toru.
Sprężyny pneumatyczne naprzeciwległe są połączone pneumatycznie poprzez zawór wyrównawczy, który wyrównuje ciśnienia między sprężynami na wózku. W przypadku awarii jednego z miechów zawór ten wypuszcza też powietrze z miechu sprawnego, tak aby nadwozie z obydwu stron wsparło się na sprężynie dodatkowej (awaryjnej), co zapewni wyrównanie nacisków nadwozia na wózek i możliwość kontynuowania jazdy.

W płycie mocującej sprężynę, na której opiera się nadwozie lub belka pośrednia układu oparcia nadwozia, znajduje się króciec przyłączeniowy instalacji pneumatycznej do zasilania sprężyny. Króciec sprężyny łączy się samoczynnie ze złączem w nadwoziu / belce pośredniej podczas zawiązu wózka.


 
Płyta mocująca sprężyny z króćcem do zasilania pneumatycznego
Króciec na fotografii jest zaślepiony w celu zabezpieczenia przed dostaniem
do wnętrza sprężyny ewentualnych zabrudzeń

Króciec do zasilania pneumatycznego

Po zawiązie nadwozia na wózkach naciski zestawów kołowych i wysokości nadwozia weryfikuje i reguluje się dla wariantu awaryjnego, czyli bez powietrza w miechach, gdy nadwozie opiera się na wózku przez sprężynę dodatkową (awaryjną) oraz z powietrzem w miechach, czyli tak jak układ działa w normalnej eksploatacji.

   
Podczas montażu nadwozia na sprężynach pneumatycznych (tzw. zawiąz)

Sprężyna powietrzna bez zasilania sprężonym powietrzem - nadwozie oparte na sprężynie awaryjnej


Wózek jednoosiowy z upsrężynowaniem I stopnia: wkładki metalowo-gumowe klinowe, usprężynowanie II stopnia: sprężyny pneumatyczne


2) Regulacja nacisków zestawów kołowych
Gdy nadwozia są już zamontowane na wózkach (zawiązane), konieczne jest wyregulowanie nacisków zestawów kołowych oraz wysokości nadwozia względem poziomu toru (wysokość podłogi, zderzaków, sprzęgów) w odpowiednich normatywnych tolerancjach. Jako, że nie da się zmieniać charakterystyki samej sprężyny, konieczne jest stosowanie dodatkowych elementów regulacyjnych w formie podkładek o odpowiedniej grubości. Podkładki te umieszcza się się między sprężynę, a gniazdo sprężyny (miejsce, na którym się ona opiera). Taki zabieg powoduje zmianę odległości pomiędzy gniazdem kadłuba łożyska, a gniazdem na ramie wózka (w ramach I stopnia usprężynowania) i gniazdem na ramie wózka, a gniazdem w nadwoziu pojazdu (w ramach II stopnia usprężynowania). Taka zmiana wysokości więzów sprężystych powoduje odpowiednie układanie się ramy wózka i nadwozia (przenoszenie obciążeń statycznych) względem wypoziomowanego toru na stanowisku do ustawiania nacisków (ważenia pojazdu). W efekcie tych operacji możliwe jest uzyskanie nacisków zestawów kołowych i wysokości nadwozia zgodnych z wymaganiami. Jednak, aby taka regulacja była możliwa już na etapie projektowania poszczególne elementy pojazdu muszą być prawidłowo dobrane i rozmieszczone. Końcowa regulacja nacisków dotyczy doregulowania w zakresie wynikającym z pewnych niedokładności wykonania skomplikowanej struktury pojazdu jak również samej tolerancji w charakterystyce sprężyn, co jest zjawiskiem normalnym.
Przykładowo w resorach piórowych te parametry realizuje się poprzez zmianę wysokości wieszaków sprężyn poprzez dedykowane nakrętki regulacyjne.

 
Podkładki regulacyjne pod II stopniem usprężynowania


 
Stanowiska do pomiarów nacisków zestawow kołowych - rozkładu mas (TENSAN)

Filmy - pojazd wózkowy podczas jazdy - praca usprężynowania

Podwozie pojazdu podczas jazdy po torze o złym stanie technicznym