SUSPENSIA VAGOANELOR CISTERNA

1. CONSIDERATII GENERALE Infrastructura cilor ferate romne constituie proprietate public a statului i este format din ansamblul elementelor necesare circulaiei materialului rulant n scopul efecturii serviciului public de transport feroviar de cltori i a serviciului de transport de marf, n condiii de siguran, potrivit tehnologiilor i reglementarilor specifice transportului feroviar. Circulaia vehiculelor pe cile ferate romne se face cu sarcini pe osie mai mici i cu o vitez de remorcare mai mic dect n alte ri europene sau de pe mapamond. Vagoanele existente, se pot deplasa cu viteza maxim de 100 km/h; unele pot circula numai n stare nencrcat cu 120 km/h. Parcul de material rulant romnesc pentru transportul de mrfuri este eterogen fiind alctuit din vagoane destinate diferitelor categorii de mrfuri. O categorie de vagon de marf intens utilizat n transportul feroviar de marf o reprezint vagoanele cistern. Acestea se regsesc n diferite variante de tipo-dimensiuni n funcie de necesitile de exploatare pentru care au fost proiectate. Vagoanele cistern sunt destinate pentru transportul produselor petroliere albe i negre, acid sulfuric, bitum, ulei de floarea soarelui, alcool etilic, alcool metilic etc. asiul vagoanelor este executat cu lonjeroane laterale, traverse frontale, traverse intermediare i diagonale sau cu grind central, traverse frontale etc. Din punct de vedere structural, vagoanele cistern europene sunt1

construite cu asiu pe toat lungimea vagonului. Din punct de vedere al aparatului de rulare, vagoanele cistern pot fi echipate cu dou osii sau cu dou boghiuri. n Romnia se gsesc vagoane cistern pe patru osii, cu tara cuprins ntre 22,5 i 32 tone i cu un volum al recipientului 60 mc pn la 95 mc (pentru transportul produselor petroliere) sau maxim 110 mc (pentru transportul gazelor lichefiate). Din punct de vedere al suspensiei, la vagoanele cisterna pe doua osii sau pe patru osii(boghiu tip Y25) se foloseste suspensia simpla. n prezent, cnd exist tendina de a se utiliza vehicule cu capaciti mari de transport i cu viteze ridicate, problema optimizrii suspensiei prezinta o importan deosebit. n timpul mersului, vehiculul este supus aciunii unor impulsuri generatoare de vibraii, cu efecte defavorabile asupra calitii de mers. Vehiculul rspunde la impulsurile generate n procesul de rulare prin intermediul suspensiei, care are rolul de a le reduce efectul la valori acceptabile. O surs de vibraii la vehiculele pe ine este reprezentat de neuniformitile verticale i transversale ale cii i de discontinuitile acesteia de la joante. Calarea fix a celor dou roi pe aceeai osie i conicitile inversate ale suprafeelor de rulare produc micarea de erpuire a osiei care se transmite maselor suspendate ale vehiculului. Totodat, defecte ale roilor ca excentricitatea i planeitile de pe suprafeele de rulare, reprezint de asemenea surse importante de vibraii. La mersul in curbe, sub actiunea fortei centrifuge necompensate, cutia vehiculului se deplaseaza pe directie transversala si se inclina pe arcurile de suspensie, existand pericolul iesirii din gabarit. La vehiculele care nu dispun de dispozitive de compensare a insuficientei de suprainaltare a caii, aceasta functie este realizata de suspensia vehiculului.2

Suspensia asigur legtura elastic ntre cadrul vehiculului i osii. Aceasta are rolul de a absorbi energia de oc i de a amortiza oscilaiile, asigurnd totodat stabilitatea vehiculului n mers. Suspensia asigur integritatea mrfurilor transportate i micoreaz forele reciproce dintre vehicul i cale. Suspensia este realizat cu ajutorul arcurilor metalice, de cauciuc, pneumatice sau hidropneumatice, al barelor de torsiune i a elementelor pendulare. Suspensia mai trebuie sa indeplineasca o serie de cerinte tehnicoeconomice, ca siguranta in exploatare, greutate si volum reduse, cost scazut,usurinta de amplasare pe vehicul si accesibilitate usoara la organele care necesit ingrijire permanenta Soluia constructiv care se adopt pentru realizarea unei suspensii depinde de felul vehiculului la care se folosete, de viteza de circulaie a acestuia, de calitatea liniilor pe care circul, respectiv de concepia diferiilor proiectani sau ntreprinderi constructoare. Ca urmare nu se poate vorbi de tipuri unificate de suspensie. 2.SUSPENSIA VAGONULUI CISTERNA CU ARCURI LAMELARE

Vagon citerna pe doua osii

3

Vagon cisterna pe patru osii

La vagoanele cu dou osii, spre deosebire de cele cu boghiuri, asiul se sprijin direct pe arcurile de suspensie. Arcurile folosite la acest tip de vagon sunt arcuri simple n foi trapezoidale sau parabolice, care se compun din mai multe foi strnse puternic cu o legatur de arc.. Pentru a se evita deplasrile longitudinale ale foilor legatura de arc se monteaz la cald pe pachetul de foi de arc i se preseaz pe feele exterioare. Pentru creterea siguranei contra deraierii, la circulaia vagoanelor de marf goale, pe ci cu torsionri mari, pentru a ameliora calitatea de mers i a obine o frecven de galop aproximativ aceeai la toate strile de ncrcare, arcurile lamelare sunt n general cu flexibilitate progresiv

4

Arcurile parabolice prezint caracteristici mbuntite n raport cu cele ale arcurilor trapezoidale. De o concepie special, aceste arcuri cuprind un numr mic de lamele rezistente, avnd normal aceeai lungime (distana dintre reazeme) i lime. Grosimea lamelelor scznd parabolic de la mijloc spre capete, se obin eforturi constante pe toat lungimea acestora. Pentru obinerea unei fixri optime a lamelelor n zona bridei arcului i pentru realizarea suprafeelor de frecare la capete, n aceste zone grosimea lamelelor este constant5

Arc lamelar cu dubla flexibilitate

De talpa inferioar a longeronului se fixeaz cate un suport pentru capul de arc, de care se leag , printr-un dispozitiv, numit atelaj. Conform U.I.C acest sistem este realizat cu dou eclise .

Atelaj cu inele duble

6

Arcurile n foi realizeaz amortizarea vibraiilor, datorit frecrii dintre lamele. Un astfel de arc ncepe s nmagazineze lucru mecanic prin deformare numai dup ce fora de frecare a fost nvins. Din acest motiv arcul este insensibil la perturbaii mici, pe care le va transmite direct vehiculului, fr amortizare. Acest fapt a restrns domeniul de utilizare al acestor arcuri la vehiculele care nu necesit o calitate de mers deosebit. n plus, amortizarea nu este controlabil datorit influenei asupra frecrii dintre lamele, a gradului de uzare i a umiditii. Caracteristica teoretic a unui arc n foi, n lipsa frecrii dintre lamele, este o dreapt care are coeficientul unghiular tg=c .

7

Caracteristica teoretica a unui arc in foi Pentru a arta efectul frecrii asupra caracteristicii arcului se consider c acesta este ncrcat cu sarcina F0 , creia i corespunde o sgeat f0 Deformaia arcului, prin creterea sarcinii la ncrcare, nu este posibil dect dac se aplic pe arc o for Fi0 care s nving att fora elastic F0, ct i fora Ff0=FI0 corespunztoare frecrii dintre lamele, reprezentnd coeficientul de frecare relativ al arcului. La descrcare, frecarea i schimb sensul, opunndu-se forei elastice, iar arcul va rmne nedeformat pn la o valoare minim Fd0 a forei aplicate. Prin urmare, pentru a realiza sgeata f0 sub sarcin crescatoare este necesar fora Fi0=F0+Ff0 =cf0+ Fi0 de undeFi 0 = cf 0 1

Pentru sarcini descresctoare rezult

Fd0=

cf 0 1+

Deci, la ncrcare, caracteristica arcului are coeficientul unghiular8

tg i =ci= 1 , iar la descrcare tg d =cd= 1 + Presupunnd c sub aciunea unei sarcini dinamice arcul i modific sgeata ntre f0- f i f0 + f , va rezulta ciclul teoretic de funcionare abcd. Energia disipat pe un ciclu de funcionare, egal cu lucrul mecanic al forelor de frecare, este dat de aria suprafeei (abcd):4cf f c

c

0 W= 1 2 4cf 0f

2. SUSPENSIA VAGONULUI CISTERNA PE PATRU OSII

Vagon cisterna pe patru osii cu boghiu tip Y25

9

Vagoanele cistern pe patru osii, datorit sarcinilor mari i pentru a se asigura circulaia cu viteze mari, sunt dotate cu boghiuri care au rolul de a asigura un mers linistit i de a uura nscrierea vehiculului n curb. Boghiurile sunt vehicule mici independente, cu dou osii, montate ntr-un cadru metalic rezistent pe care se sprijin asiul vagonului. Vagonul cistern este dotat cu boghiu cu suspensie simpl, acesta are unsingur sistem de arcuri care transmit la osiile montate sarcina util, greutatea cutiei vagonului i greutatea asiului vagonului. Boghiul Y25 este construit pentru ecartament de 1435 mm, avnd ampatamentul de 1800mm si sarcina maxima pe osie de 210kN. Partile componente ale boghiului sunt; Aparatul de rulare compus din osia montat si cutia de osie

Ansamblu osie cutie de osie

Cadrul boghiului executat tin table si profile asamblate prin sudur, avnd ca pri principale; dou longeroane laterale(1), traversa crapodinei(2), dou traverse frontale(3), dou longeroane auxiliare(4).10

Cadrul boghiului Y25 Cs

Suspensia este format din opt seturi de arcuri elicoidale, cte dou pe fiecare fus (exemplificat n figura de mai jos)

11

Fiecare set este format din dou arcuri, unul exterior cu diametrul de 162mm(1), iar altul interior cu diametrul de 90mm(2)

Arcurile folosite la suspensia vagonului cistern dotat cu boghiu tip Y25 sunt arcuri elicoidale executate din bar rotund, nfurate la cald dupa o elice cilindric. Spre deosebire de arcurile n foi arcurile elicoidale au greutate si volum mult mai reduse i au o sensibilitate mai mare Flexibilitatea arcurilor elicoidale dau natere unor oscilaii mari care se transmit la vehicul. De aceea este important ca arcurile elicoidale s fie cuplate de un sistem de amortizare, hidraulic sau cu friciune. Arcurile elicoidale au caracteristica de elasticitate liniar, adic exist proporionalitate ntre sarcina aplicat F i deformaia arcului f. Fiind lipsite de frecri, acestea nu au posibilitatea de a disipa energie n exterior i de aceea este necesar ca suspensiile cu astfel de arcuri s cuprind i elemente de amortizare a vibraiilor.

12

n cazul vehiculelor cu ncrcare variabil, pentru a se asigura sensibilitatea arcurilor i la sarcini reduse, deci o calitate corespunztoare a mersului, se folosesc, arcuri multiple, n general duble, la care arcurile componente au nlimi diferite.

Model de arcuri multiple

Caracteristica de elasticitate a unui arc dublu de acest tip (numit i arc cu dubl flexibilitate) este reprezentat n figur.

13

Arcurile componente nu intr de odat nfunciune ci ncep a lucra mpreun de la o anumit valoare a sarcinii aplicate, respective sarcina de comutare Fc, creia i corespunde sgeata de comutare fc. Arcul va avea astfel dou rigiditi, c1 sau c2, n funcie de gradul de ncrcare al vehiculului. Pentru a mbunti comportamentul suspensiei vehiculelor cu ncrcare variabil, aceste arcuri pot fi construite astfel nct s aib o dubl flexibilitate. La vagoanele de marf, se folosesc la suspensia osiilor amortizoare cu friciune(cu frecare coulombian). Acestea prezint dezavantajul c fora lor de rezisten depinde de valoarea coeficientului de frecare, fiind insensibile la perturbaii mici. Dup legea de variaie a forei rezistente, exist amortizare cu friciune cu for de rezisten constant i amortizoare cu aciune progresiv, care produc o for de rezisten proporional cu sarcina aplicat pe elementul de suspensie. Mai jos n cele dou figuri s-au reprezentat caracteristicile for deplasare, pentru un amortizor cu friciune cu for de rezisten Fr = R = const. i pentru cazul cnd, n paralel cu amortizorul, exist un arc cu rigiditatea c.

14

Caracteristicile teoretice F(z) n cazul amortizrii prin frecare coulombian a pentru amortizor b pentru amortizorul n paralel cu un arc de rigiditate c

Energia disipat pe un ciclu de funcionare de ctre amortizorul cu for de rezisten constant este W=4Rz0 Amortizoarele cu aciune progresiv, utilizate n general la vehiculele de cale ferat, au caracteristicile similare cu cele ale arcurilor n foi. Astfel, amortizorul tip Lenoir, utilizat la boghiurile Y 25, care echipeaz vagoanele de marf, realizeaz o for de amortizare proporional cu sgeata arcului de suspensie, deci cu greutatea ncrcturii pe vehicul, cunoscut fiind c acestea sunt vehicule cu diferen mare a greutii ntre starea de gol i ncrcat

15

Amortizorul cu friciune tip Lenoir

La acest tip de amortizor, sarcina corespunztoare unui arc de suspensie se transmite de la furca de osie 1 la talerul superior 3 al arcului dubu 4 prin dou inele nclinate 2. Talerul 3, deplasndu-se spre stnga, transmite16

componenta orizontal N a fortelor T din inelele piesei intermediare 5 pe care o preseaz pe placa de uzare 7, solidar cu cutia de osie 9. acelai efort se transmite i pe partea cealalt a cutiei de osie prin piesele de contact 8, fr a fi necesar montarea unui al doilea dispozitiv Amortizorul tip Lenoir realizeaz amortizarea att a oscilaiilor verticale ct i transversale. Prin efectul de rigidizare longitudinal a cutiilor de osie se realizeaz o reducere a lungimii de und a micrii de erpuire i o mbuntire a stabilitii vehiculului pn la viteza de 110 km/h

4 CONCLUZII Arcurile lamelare prezint avantajul amortizrii oscilaiilor datorit frecrii dintre lamele, care ncepe n momentul n care se aplic fora exterioar i, prin deformarea arcului, se produce alunecarea dintre ele. Arcul ncepe s nmagazineze lucru mecanic prin deformare numai dup ce fora de frecare corespunztoare deformrii a fost nvins. ocurile provocate de variaiile de fore inferioare forei de frecare dintre lamele sunt transmise direct vehiculului, fr amortizare; Arcul lamelar este prin urmare, insensibil la perturbaii mici, fapt care a restrns domeniul de utilizare al acestuia la vehiculele care nu necesit realizarea unui confort ridicat, cum ar fi vagoanele de marf; Pentru creterea siguranei contra deraierii, la circulaia vagoanelor de marf goale, pe ci cu torsionri mari, respectiv pentru a mbunti calitatea de mers i a obine o frecven de galop aproximativ aceeai la toate strile de ncrcare, arcurile lamelare sunt n general cu flexibilitate progresiv.

17

Suspensia vehiculului trebuie astfel adoptat nct s se evite fenomenele de rezonan care pe lng faptul c influeneaz calitatea mersului pot duce la descrcri ale roii atacante i astfel s pericliteze sigurana ghidrii vehiculului. Elementele elastice metalice, sub form de arcuri elicoidale i arcuri lamelare, sunt larg utilizate la vehiculele pe ine ca elemente de suspensie. Ca i celelalte tipuri de elemente elastice folosite la suspensii, arcurile metalice sunt organe de maini cu o mare elasticitate. Datorit acestui fapt ele nmagazineaz un lucru mecanic de deformare pe care l redau (n cea mai mare parte) cnd aciunea sarcinii a ncetat. Folosirea acestei proprieti conduce, n funcie de condiiile impuse suspensiei n plan vertical i orizontal, de spaiul disponibil pentru montarea arcului, respectiv de mrimea i felul solicitrii, la diferitele tipuri de arcuri. Arcurile elicoidale, n comparaie cu arcurile lamelare, au un grad ridicat de utilizare a materialului, tehnologia de fabricare i reparare este relativ simpl, nu necesit ntreinere n exploatare i sunt sensibile la perturbaii mici. Un avantaj important al arcurilor elicoidale const n faptul c elasticitatea transversal a acestuia poate fi folosit pentru asigurarea rapelului transversal al cutiei vehiculului. Fiind lipsite de frecare, aceste arcuri nu amortizeaz oscilaiile i de aceea este necesar ca suspensia care conine astfel de arcuri s cuprind i amortizoare. Arcurile lamelare prezint avantajul amortizrii oscilaiilor datorit frecrii dintre lamele, care ncepe n momentul n care se aplic fora exterioar i, prin deformarea arcului, se produce alunecarea dintre ele. Arcul ncepe s nmagazineze lucru mecanic prin deformare numai dup ce fora de frecare corespunztoare deformrii a fost nvins. ocurile18

provocate de variaiile de fore inferioare forei de frecare dintre lamele sunt transmise direct vehiculului, fr amortizare. Arcul lamelar este prin urmare, insensibil la perturbaii mici, fapt care a restrns domeniul de utilizare al acestuia la vehiculele care nu necesit realizarea unuiconfort ridicat, cum ar fi vagoanele de marf. Pentru creterea siguranei contra deraierii, la circulaia vagoanelor de marf goale, pe ci cu torsionri mari, respectiv pentru a mbunti calitatea de mers i a obine o frecven de galop aproximativ aceeai la toate strile de ncrcare, arcurile lamelare sunt n general cu flexibilitate progresiv. Pentru circulaia unui vehicul n deplin siguran, este necesar ca acesta s aib o anumit stabilitate pe cale iar micrile suplimentare s fie limitate i s poat fi amortizate.

Bibliografie1. Sebean, I., Dinamica vehiculelor de cale ferat, Editura Matrix Rom,

Bucureti, 2011; 2. Sebean, I., Copaci, I., Teoria sistemelor elastic la vehiculele feroviare, Matrix Rom, Bucureti, 2008; 3. Sebean, I., Hanganu, D., Proiectarea suspensiilor pentru vehicule pe ine, Editura tehnic, Bucureti, 1993.

19

20