Частные выводы по последовательности развития ходовых частей вагонов

3.4.1. В общем случае под словосочетанием "ходовые части" будем понимать все то, на чем или посредством чего осуществляется передвижение. Появление ходовых частей произошло давно, как и все связанное с вагонами, а развитие претерпело несколько периодов, которые условно можно охарактеризовать следующим:

- до появления и развития интеллекта - период неосознанного использования естественных природных и биологических приобретений, формирование и становление биологического рода Человек, Homo habilis, "человека умелого"

- появление орудий труда - период появления и использования понятийного мышления, формирование Человека Homo erectus, "человека стоящего";

- широкое использование различных природных, естественных особенностей и материалов - период развивающегося мышления, возникновение Человека Homo neandertaliensis, "человека неандертальского";

- начало создания не встречающихся в естественных условиях и природе материалов, конструкций и сооружений - период сформировавшегося Человека Homo sapiens, "человека разумного";

- создание, развитие и использование широко развитой техносферы - период научно-технической революции, НТР, период формирования Человека Homo innovates, "человека нового".

3.4.2. В первый период, протяженность которого начиналась от 40 и продолжалась до 2,5 млн. лет назад, происходило естественное инстинктивное природой данное использование своих физических возможностей, конечностей, возможно периодическое использование некоторых, часто окружающих Человека предметов в качестве орудий перемещения, а затем возможно и постоянное использование костей, камней, палок и галечных орудий.

3.4.3. Во второй период (от 2.5 млн. до 70 тыс. лет назад) у людей начало формироваться понятийное мышление, на основании которого стали регулярно использоваться многочисленные орудия перемещения.

3.4.4. В третий период (от 70 тыс. до 45 тыс. лет назад) заканчивалось эволюция биологического характера, формирование понятийного мышления, расширялась сфера использования орудий перемещения.

3.4.5. Четвертый период протяженностью от 40 тыс. до 10 тыс. лет назад характеризовался формированием человека современного типа с переходом от биологической эволюции к социальной. Происходило совершенствование членораздельной речи. Появились конструкции, сооружения и материалы на природной основе и правильной геометрической формы, начало формоваться понятие красоты.

3.4.6. Наши дни представляют пятый период, который начался около 10 тыс. лет назад и продолжается сейчас. Он связан с возникновением нового вида людей Homo innovates, "человека нового". Этот период характеризуется превращением человечества в единую глобальную совокупность, со свойственному ей акселерацией, убыстрением социального развития, исчерпанием генетических возможностей биологической эволюции, созданием и развитием бесконечного множества различных современных транспортных средств передвижения в различных средах.

3.4.7. Таким образом, за все прошедшие условные 40 млн. лет существования живой природы передвижение, как фактор материи, жизни постоянно имел место. Имели место и ходовые части. Сделанные в результате проведенного анализа исторического развития обобщения позволили установить основные факторы, влияющие на выбор ходовых частей и их вариации. Для наглядности они помещены в таблицу 3.3, представляющую собой инструмент классификационного конструирования (см. также пп. 3.2.17 и 3.3.12) Так, ходовые части определяются:

- выбранным способом передвижения: естественным или искусственным с использованием трения скольжения или качения;

- видом и состоянием опорной поверхности;

- источником передвижения;

- способом опирания ходовых частей на опорную поверхность, путь;

- принципиальной конструкцией ходовых частей;

- амортизацией неровностей пути при движении.

3.4.8. Естественно, что в начале переноска тяжестей или грузов осуществлялась самим человеком, затем по мере приручения животных стали использоваться и их возможности. Животных навьючивали грузами или заставляли тянуть за собой волокуши, грузовые телеги. Увеличение количества перевозимого груза и ограниченные физические возможности животных приводили к необходимости использовать для перемещения такие поверхности, на которых бы тратилось меньше энергии – использовался попутный ток воды, зимнее перемещение грузов по льду или снегу, летнее – по траве или сырой земляной поверхности, поверхности с насыпным, легко перемещающимся поверхностным грунтом и т.п. Все они создавали небольшое сопротивление движению и это позволяло тянуть животному уже не одну, а несколько повозок.

3.4.9.Такое передвижение осуществлялось естественным образом (ползанием 1, ходьбой - 2 или бегом - 3), а также искусственно с использованием приспособлений за счет скольжения: по жидкости 4 (воде, льду, снегу); по земляной поверхности 6 (сухой или вязкой земле, старой или свежей растительности (траве) по пыли, песку, гравию); по воздуху 5 (аппаратами тяжелее воздуха (за счет подъемной силы крыла, статической и динамической воздушной подушек) и аппаратами легче воздуха (воздушными шарами и дирижаблями) и качения с применением катков 8, колес 9 и сфер 10. Перемещение осуществлялось в твердой 11, упругой 12 или безопорной среде 13.

3.4.10. Перемещение возможно, если будет преодолено сопротивление покоя и движения. Трение покоя более значительно, чем трение движения. Для его преодоления использовались различного рода катки из стволов деревьев. Их размещали между перевозимым грузом и поверхностью, относительно которой перемещался груз. В начале использовали не калиброванные катки. Потом было замечено, если использовать катки укороченной длины и большего одинакового диаметра, то сопротивление движению уменьшается и легче преодолеваются неровности дороги. Однако выбор катков большего диаметра имел свои пределы, определяемые размером деревьев. Поэтому катки большего диаметра стали изготовлять искусственно, составляя из тесаных бревен. Изготовлять их было легче, если использовать выпиленные доски. На поверхности качения катков для прочности стали устанавливать обода из древесины твердых пород или, в дальнейшем, из металла. Так постепенно формировались современные колеса. Использовать катки большого диаметра было удобнее, если они были насажены на ось. Для этого в середине катков делались отверстие, оно укреплялось утолщением, ступицей и в него вставлялась ось. Такие катки приобретали форму современных колес, состоящих из обода, центра и ступицы.

3.4.11. Удержать при движении на дорогах фиксированное положение несвязанных друг с другом больших по диаметру колес было чрезвычайно трудно, да и траектория движения приобретала извилистую форму. Все это влияло на спокойствие хода и сопротивление качению и оно тем больше, чем извилистее выглядела траектория движения. Решение этой проблемы было найдено путем наклона плоскостей вращения задних колес по направлению друг к другу в виде латинской буквы "V". В результате образовался своеобразный выпуклый двойной конус вращения (рис.3.10).

Для улучшения условий движения важным являлось снижение массы экипажа и его частей. Так, среди многих способов уменьшения массы колеса - использование набора стержневых опор между ступицей колеса и ободом, спиц, вместо сплошного центра. Однако в этом случае нижние спицы по отношению к опорной поверхности нагружались не только вертикальной нагрузкой, но и изгибающим моментом и от этого часто ломались. Избавиться от этого удалось за счет придания вертикального положения нижним по отношению к стоящему экипажу спицам - пришлось сместить плоскости обода и ступицы относительно

3.4.12. Было замечено, что перемещать груз легче, если катки устанавливались между фиксированными направляющими на грузовой платформе и в пути. Для того чтобы не переставлять катки при перемещении груза, на направляющих, укрепленных на грузовой платформе, под размеры катка устраивалось для него специальное ложе, в котором он вращался без перемещения по направлению движению - получался своеобразный буксовый узел (букса - нем. Buchse - чугунная или стальная коробка для подшипников осей подвижного состава железных дорог). В нем для уменьшения трения скольжения использовали различного рода смазку: от воды до масла.

3.4.13. Направляющие последовательно изменялись, превращаясь в рельсы современных железных дорог.

3.4.14. Таким образом, последовательно пришли к выгодной системе: по двум установленным на некотором расстоянии (ширина колеи) друг от друга рельсам катятся два колеса, объединенные в колесную пару, а на неё опирается погрузочная платформа с грузом. Ширину колеи Д. Стефенсон выбирал, исходя из размеров лошадей, которые использовались для перемещения вагонов по рельсам. Сейчас она на железных дорогах мира колеблется от 500 до 1660 мм.

3.4.15. Если при движении колес в желобах, их самоустановка не требовалась, она получалась автоматически, то при движении по выпуклым, выступающим над поверхностью рельсам удержание на них колес превращалось в серьезную техническую проблему.

3.4.16. Было замечено, что качение цилиндра по рельсам особенно на поворотах неустойчиво, и наоборот - качение выпуклого двойного конуса приводит к его самоустановке (см.рис.3.10). Поэтому поверхности качения стали придавать коническую форму. Как видно, чем больше поверхность качения, тем лучше устанавливаются вращение. Однако по техническим и экономическим соображениям ее ширину пришлось ограничивать и уменьшать. В результате, ограничить устойчивое качение колеса с конической формой поверхности качения по рельсам не удавалось. Пришлось дополнительно к конической форме поверхности катания устроить боковые ограничители на колесах (см. рис. 3.11), реборды (фр. reboud - гребень, выступающий по краю железнодорожного колеса, препятствующий сходу колеса с рельса), расположенные с внутренних частей колес колесной пары.

3.4.17. Передвигаться можно за счет внутренней энергии (системы «источник движения – живой организм и его несущая способность» 14), использования тяговых и толкающих возможностей грузового объема живым организмом (источник движения + грузовой объем 15) и с помощью самодвижущегося грузового объема в сцепе из многих единиц (типа моторвагонного подвижного состава 16). В последнем случае, размещение тягового привода в ходовых частях сделало необходимость локомотива в поезде не нужной, так как тяговая способность у такого поезда распределена по вагонам.

3.4.18. Чем на большее число колес опирается экипаж, тем меньше его давление

на дорогу (рис. 3.12, 3.13). Однако управлять таким экипажем труднее, особенно на поворотах. Поэтому первые повозки делались в виде двуколок, двухколесных экипажей, типа римских боевых колесниц. Однако, по мере увеличения количества перевозимого груза, двуколки стали постепенно увеличиваться в размерах. Для обеспечения их поворотов в кривых участках дороги пришлось отказаться от размещения колес по всей длине 17 и заменить опиранием грузовой платформы только в сосредоточенных местах 18. При этом передние колеса для обеспечения поворота закреплялись шарнирно. Этот способ опирания кузова на ходовые части в двух опорных местах был перенесен на вагоны современных железных дорог.

3.4.20. В дорельсовую пору и при движении по рельсам постоянно стоял вопрос о преодолении неровностей дороги, которые приводили к колебаниям экипажей. Они вынуждали ограничивать скорость движения или использовать специальные устройства для смягчения неровностей, рессоры (от франц. resort - упругий элемент подвески транспортной машины, соединяющий ее кузов с осями колес и смягчающий удары от неровностей дороги). Первые экипажи не имели таких устройств 22, затем появилась упругая подвеска из гибких деревянных планок, кожаных ремней и задних колес большого диаметра. Они избавляли пассажиров от тряски. В XVII веке на некоторых типах экипажей появились металлические рессоры, которые практически в неизменном виде сохранились в современных конструкциях вагонов. В дальнейшем рессорное подвешивание усовершенствовалось. Это касалось как самих колес - они делались более упругими, так и рессор, особенно с распространением применения металла и других материалов, обладающих эффектом упругости. Все усилия в этом направлении преследовали цель максимально снизить необрессоренные массы, воздействующие на путь, т.е. те части экипажей, которые передавали свою нагрузку на путь жестко, не через упругие элементы. Таким образом, можно исключить влияние неровностей пути на экипажи 21.

3.4.21. С увеличение скоростей движения встала проблема, с одной стороны, установить максимально возможную скорость на железных дорогах, а, с другой, - наметить пути перехода на сверхвысокие скорости. Не смотря на то, что рекорд скорости на Национальных Железных Дорогах Франции (SNCF), установленный 3 апреля 2007 года, поездом TGV (Train a Grande Vitesse - высокоскоростной поезд) достиг 574,8 км/ч, развивать коммерческие скорости больше, чем 360 км/ч не целесообразно, так как при этих скоростях наблюдается энергетическое равновесие между тягой и сопротивлением движения при тяге, передаваемой от колеса на рельс. Поэтому любители сверхвысоких скоростей начали искать направления по устранению этого ограничения. Это выразилось в отказе от использования колеса, как опоры на рельс и в возможном применении магнитной и воздушной подушек. В настоящее время эти работы привели к созданию немецкими исследователями поездов "Трансрапид" на магнитной подушке и французскими специалистами поездов "Аэротрайн" - на воздушной. Работы в этих направлениях пока еще ведутся в области экспериментальных исследований; на коммерческие поезда выхода пока нет.

3.4.22. Научные исследования в области ходовых частей традиционного железнодорожного транспорта сосредоточены на обеспечении необходимой плавности хода, более полном использование созданной мощности пути, создании высокопрочных и высоконадежных конструкций, снижении затрат на их создание.

3.4.23. Условная последовательность развития кузовов вагонов по Л.А. Шадуру [3] может быть следующей:

- усиление колесных пар за счет увеличения диаметра колес, улучшения химического состава стали, введения упрочняющей накатки;

- освоение изготовления полых осей;

- переход на цельнокатаные колеса;

- уменьшение диаметра колес до 950 мм;

- создание раздвижных колесных пар;

- усовершенствование букс с подшипниками скольжения;

- использование букс с подшипниками качения;

- использование новых технологий при изготовлении элементов рессорного подвешивания (термическая обработка, заневоливание, дробеструйное упрочнение и т.д.);

- применение пневматических, резиновых и других элементов в рессорном подвешивания, различных типов гасителей колебаний;

- создание оригинальных конструкций рессорного подвешивания вагонов;

- создание новых типов тележек грузовых и пассажирских вагонов;

- универсализация пассажирских и грузовых тележек. Создание единой тележки;

- решение проблем скорости, плавности хода.

Таблица 3.3. Факторы, влияющие на выбор конструкции ходовых частей экипажей

Поиск по сайту: