Вписывание в кривые. В движении паровоз обладает значительной кинетической энергией, пропорциональной его массе и квадрату скорости. При входе в кривую и следовании по ней паровоз стремится по инерции двигаться по прямой, и только реакция внешнего рельса на силу, развиваемую набегающим на рельс передним колесом, заставляет паровоз повернуть в кривую. Кроме силы инерции на паровоз, движущийся по кривой, действует еще центробежная сила, так же как и кинетическая энергия, пропорциональная массе паровоза и квадрату скорости его движения, но обратно пропорциональная радиусу кривой: С=mv²/R_кр.

Рис. 121. Схема сил, действующих иа паровоз в кривой

Центробежная сила тоже стремится прижать колеса к внешнему рельсу кривой и опрокинуть паровоз. Чтобы парализовать действие центробежной силы в кривых участках пути, внешний рельс располагают выше внутреннего (рис. 121). Благодаря этому возникает слагающая N силы тяжести Q паровоза, которая в зависимости от величины возвышения наружного рельса (т. е. угла ? наклона пути), радиуса кривой и скорости движения может быть больше, меньше центробежной силы или равняться ей.

В зависимости от соотношения центробежной силы, силы инерции и слагающей N силы тяжести паровоза его экипаж может занимать различное положение в кривой.

Если преобладают первые две силы над третьей, то экипаж устанавливается в кривой в положение наибольшего сдвига (рис. 122, а), когда движущиеся по внешнему рельсу крайние колеса колесных пар 1 и 2 жесткой базы паровоза прижаты гребнями бандажей к этому рельсу, т. е. весь паровоз сдвинут на наибольшую возможную величину от центра кривой. Если же доминирует слагающая силы тяжести, то паровоз устанавливается в кривой в положение наибольшего перекоса (рис. 122, б), когда гребень бандажа передней колесной пары 1 в жесткой базе набегает на внешний рельс, а гребень задней колесной пары 2 в жесткой базе прижимается к внутреннему рельсу. Между этими двумя крайними положениями — наибольшего сдвига и наибольшего перекоса — располагается масса так называемых свободных установок, когда гребень бандажа передней колесной пары жесткой базы набегает на внешний рельс, а гребни бандажей задней колесной пары жесткой базы не касаются рельсов.

1000-136 Рис. 122. Схема установки экипажа в кривой

Для облегчения прохода экипажей по кривым участкам пути в этих местах уширяют расстояние между внутренними гранями рельсов в зависимости от радиуса кривой. Наибольшее ушире-ние — 25 мм (с учетом допускаемого отклонения от нормы). Но этого, обычно, недостаточно, чтобы длинный экипаж паровоза мог расположиться в кривой, не расшив путь. Поэтому движущим колесным парам, находящимся впереди и сзади жесткой базы, дают возможность перемещаться поперек продольной оси паровоза за счет либо разбега буксовых подшипников по шейкам осей, либо зазоров между буксами и буксовыми направляющими.

Так, у паровозов Е^а и Е^м первая и пятая движущие колесные пары, отстоящие друг от друга на 5688 мм, имеют разбег за счет подшипников по 6,35 мм в каждую сторону от среднего положения, а вторая и четвертая —по 3,2 мм; у паровозов Э^м отклонения второй и пятой колесных пар составляют соответственно 40 и 44 мм при расстоянии между крайними сцепными осями 5780 мм.

Компактно расположенные движущие колесные пары при отсутствии тележек создают большие консоли по концам экипажа, например у паровозов Э^в/и это значительно увеличивает момент инерции паровоза и плечо действия сил инерции при проходе по кривым, что очень влияет на безопасность движения. Размещение тележек под консолями существенно улучшает вписывание в кривые, поскольку даже относительно небольшое усилие между гребнем бандажа тележки и рельсом значительно уменьшает силу набегания переднего движущего колеса. Такое сильное влияние тележки объясняется большим плечом развиваемого ею усилия, поскольку ее передняя (у двухосной) или единственная колесная пара намного дальше отстоит от центра тяжести паровоза, чем передняя движущая колесная пара.

 

Тележки. Наличие тележки улучшает взаимодействие паровоза и пути. Рельс представляет собой неразрезную балку, лежащую на упругом основании. Поэтому нагрузка от каждого колеса прогибая рельс, одновременно вызывает его выпучивание за пределами действия нагрузки. На рис. 123, а изображена в сильно преувеличенном для наглядности виде деформация рельса под паровозом без тележек с тремя движущими колесными парами, каждое из колес которых давит на рельс с силой Q. Наибольший изгиб h₁ и соответственно наибольшее напряжение будут иметь части рельса за пределами крайних колесных пар, тогда как между соседними колесами экипажа изгиб h₂ будет меньше из-за совместного влияния рядом расположенных нагрузок.

Рис. 123. Деформация рельса от нагрузки колесных пар паровоза

Если же этот экипаж оснастить по концам тележками (рис. 123, б), нагрузка на каждое колесо которых будет существенно меньше, чем на движущее колесо, например 0,7Q, то вследствие этого уменьшения нагрузки прогиб рельса по концам экипажа будет меньше, чем в первом случае, т. е. h₄<h₁ между движущими колесами прогиб останется, практически, прежним, а между тележечным колесом и крайним движущим прогиб h₃ будет меньше h₄, но больше, чем h₂, т. е. h₂<h_з<h₄. Следовательно, применение тележек улучшило взаимодействие пути и экипажа, и напряжения в рельсе уменьшились.

Наконец, необходимо упомянуть о том, что тележки воспринимают на себя избыток массы над нужной сцепной массой. Потребная сцепная масса зависит от силы тяги, развиваемой машиной при трогании и разгоне. Но мощные быстроходные паровозы, такие как Л, требуют мощного котла для реализации своих возможностей на больших скоростях движения, масса которого получается больше требуемой сцепной массы.

Тележки различают по классам. К первому классу относят тележки, имеющие самостоятельный экипаж, соединенный с главным экипажем паровоза с помощью центрально-шкворневого устройства (схема на рис. 124, а). Это двухосные тележки.

Рис. 124. Схемы паровозных тележек

Тележки третьего класса управляются водилом и чаще всего самостоятельного экипажа не имеют (рис. 124, в). Таковы бесшкворневые одноосные тележки паровозов Е^а, Е^м.

Тележки второго класса представляют промежуточный тип, они могут не иметь самостоятельного экипажа, но обладают и шкворнем, и водилом. Их иногда в литературе называют полутораосными, так как они работают совместно с ближайшей сцепной осью (рис. 124, б). В них бегунковая ось соединена с передней сцепной и воздействует на нее при вписывании в кривую.

 

Возвращающие устройства. При входе паровоза в кривую тележка под действием реакции рельса на гребень ее переднего колеса отклоняется внутрь кривой, тогда как главный экипаж стремится продолжать движение по прямой.

Рама тележки и рама паровоза имеют между собой связь — возвращающее устройство, которая при отклонении тележки стремится вернуть ее в прежнее положение. Но в кривой это оказывается невозможным, так как тележку удерживает в отклоненном положении реакция рельса (в месте касания его гребнем колеса). Поэтому сила, возникшая в возвращающем устройстве, будет воздействовать на главный экипаж паровоза, стремясь повернуть его в сторону кривой и тем облегчая его вписывание в кривую.

Чем меньше радиус кривой, тем больше отклонение тележки. Если возвращающее устройство увеличивает силу своего воздействия на главный экипаж пропорционально отклонению тележки, то тем самым облегчается вписывание паровоза в кривую малого радиуса.

Рис. 125. Рессорное возвращающее устройство

Рессорное возвращающее устройство состоит из двух рессор 2 и 4 (рис. 125, а), концы которых соединены тягами 3. Хомуты рессор уперты во вкладыши 5 и 1, обнимающие шкворневой стакан. Когда тележка, входя в кривую, отклонится в сторону рессоры 4 (рис. 125, б), то, нажимая на вкладыш 5 этой рессоры своей рамой, она заставит рессору 4 через тяги 3 нагрузить рессору 2. Совместное усилие рессор 4 и 2 будет действовать через вкладыш 1 на шкворневой стакан и через него и шкворень заставлять главный экипаж отклоняться в ту же сторону, что и тележка, чем облегчит ему вписывание в кривую. Чем больше будет отклонение тележки, тем сильнее будут нагружены рессоры и тем больше будет возвращающее усилие. Чтобы тележка устойчиво шла по прямому пути, рессорам придают начальную затяжку, поэтому возвращающее усилие начинает расти не от нуля.

Рис. 126. Возвращающее устройство люлечного типа

Возвращающее устройство с люлькой на подвесках схематично изображено на рис. 126, а. Шкворневой стакан 1 опирается на люльку 3, висящую на подвесках 2. Обычно подвесок бывает четыре. Валики, на которых висят подвески, заделаны в раму тележки. Как только при входе в кривую произойдет смещение тележки (на рис. 126,6 вправо на величину т), так сдвиг ее рамы заставит подвески занять наклонное положение и опираться на валики уже не двумя призмами, а одной. Это сразу возбудит значительную возвращающую силу, пытающуюся сдвинуть люльку, а вместе с ней шкворень и главный экипаж в ту же сторону — вправо. Возникающие при этом параллелограммы сил даны внизу рисунка.

В этом устройстве (при вертикальных подвесках) нет никакой «предварительной затяжки», т. е. силы, обеспечивающей прямолинейное движение тележки на прямых участках пути. Однако надо учесть, что при ничтожном отклонении тележки в сторону тотчас подвеска окажется опирающейся не на два валика (призмы), а на один, и возникшая от этого значительная сила удержит тележку в прямолинейном движении. Чем шире расставлены в подвеске опорные призмы, тем больше эта «предварительная затяжка».

Рис. 127. Секторное возвращающее устройство

Тележками на подвесках оборудованы паровозы Е^а и Е^м, но там на люльку опирается не шкворень, а опорный стакан главной рамы паровоза, так как это тележка III класса, т. е. бесшкворневая.

Широко распространено возвращающее устройство в виде сектора. Пока сектор, опирающийся на две ножки, занимает среднее положение (рис. 127, а), система находится в равновесии. Но стоит тележке сместиться в сторону, как сектор поворачивается (рис. 127, б), оказывается опертым только на одну «ножку», а в месте контакта его с секторной плитой возникает возвращающая сила, равная В = рtg?. Ее реакция на секторной плите будет действовать на главную раму паровоза, поворачивая ее в кривую.

На рис. 127 представлен вариант возвращающего устройства с постоянной возвращающей силой, не зависящей от величины отклонения тележки. В самом деле, опорные поверхности сектора описаны радиусом с центром в точке поворота сектора, а опорная поверхность секторной плиты представляет касательные плоскости к поверхности сектора. Следовательно, при любом отклонении сектора угол между вертикалью и нормалью к поверхности секторной плиты в точке ее контакта с сектором будет оставаться постоянным. А так как возвращающая сила пропорциональна тангенсу этого угла, то и она будет оставаться неизменной. Наличие достаточно широко расставленных «ножек» обеспечивает возникновение возвращающей силы при самом ничтожном отклонении тележки и придает ей спокойный ход на прямых участках пути.

Рис. 128. Тележка паровоза Л

Если опорные поверхности секторной плиты выполнить не плоской, а криволинейной, то возвращающая сила в этом случае будет переменной, изменяясь в зависимости от отклонения тележки. Так сделано в передней тележке паровоза Л, у которого рабочие поверхности секторов очерчены радиусом 180 мм, а рабочие поверхности секторной плиты —радиусом более 700 мм. Поэтому с возрастанием отклонения тележки увеличивается угол наклона давления а, так как давление всегда направлено по радиусу опорной поверхности секторной плиты в месте ее контакта с рабочей поверхностью сектора. Возрастание угла а влечет рост тангенса и увеличение возвращающей силы

В = рtg?

Примером одноосной тележки III класса может служить тележка паровоза Л. Нагрузку на тележку передает продольный балансир 1 (рис. 128), через направляющий стакан 3, люльку 2, секторы 8 возвращающего устройства, раму 5 тележки, рессоры 4 и буксы 7. Рессорные подвески прикреплены к раме через спиральные пружины 6. Рама тележки цельнолитая и соединена с главной рамой водилом 10, шкворень 11 которого пропущен через прилив междурамного скрепления.

Рис. 129. Секторное устройство те лежки паровоза Л

Возвращающее секторное устройство (рис. 129) состоит из люльки 2— фасонной стальной отливки с надсекторными углублениями, четырех секторов 1, отлитых из стали двумя парами; секторы каждой пары объединены корытообразными перемычками А. В средней части люльки снизу имеются два прилива, соединенных с помощью тяг с приливами Б секторных перемычек А, чем предотвращается сдвиг секторов. Наибольшее перемещение тележки 125 мм в каждую сторону.

 Чтобы тележку не могло выбросить из-под паровоза при поломке ее деталей, к скобам рамы тележки крепят цепи. Буксы тележки аналогичны буксам движущих колесных пар. Однако у паровозов постройки до 1953 г. нет централизованного питания смазкой и они требуют ручной заправки. Колесная пара тележки с диаметром по кругу катания 900 мм имеет литой дисковый центр; ось полая.