Arcuri lamelare la vagoanele de marfă

Autori: Dinu DRĂGAN1, Gheorghe POPA2, Marian Mihail CĂLIN3 Mihai Ştefan SEBEŞAN4,

1 Director General, Autoritatea Feroviară Română - AFER 2 Director General Adj., Autoritatea Feroviară Română - AFER 3 Director, AFER - Autoritatea de Siguranţă Feroviară Română

4 Şef Serviciu, AFER - ONFR, Serviciul Înmatriculare şi Gestionare Registre

1. Consideraţii generale Arcurile lamelare (în foi) se utilizează ca elemente elastice în suspensia

vehiculelor pe şine, în general sub formă de arcuri deschise, simetrice, de tip

trapezoidal sau parabolic. Suspendate la capete de inele sau de eclise prinse în

poziţie oblică de lonjeroanele şasiului, acestea asigură, pe lângă preluarea elastică,

şi amortizarea şocurilor şi vibraţiilor, ghidarea osiilor şi orientarea lor radială în curbe.

Pentru creşterea siguranţei contra deraierii, la circulaţia vagoanelor de marfă

goale, pe căi cu torsionări mari, pentru a ameliora calitatea de mers şi a obţine o

frecvenţă de galop aproximativ aceeaşi la toate stările de încărcare, arcurile

lamelare sunt în general cu flexibilitate progresivă (fig. 1 și 2).

Fig. 1. Arc lamelar trapezoidal cu dublă flexibilitate.

1/9

Fig. 2. Arc lamelar parabolic cu dublă flexibilitate.

Arcurile trapezoidale sunt formate prin suprapunerea mai multor lamele (foi) de

lungimi diferite având aceeaşi lăţime şi grosime constantă în lungul lamelei.

Lamelele sunt fixate la mijloc prin legătura de arc, în care se consideră încastrate.

Sub acţiunea sarcinii exterioare, arcul se comportă ca un solid de egală rezistenţă,

fiind construit pe principiul unui arc monolamelar trapezoidal.

Arcurile parabolice prezintă caracteristici îmbunătăţite în raport cu cele ale

arcurilor trapezoidale. De o concepţie specială, aceste arcuri cuprind un număr mic

de lamele rezistente, având normal aceeaşi lungime (distanţa dintre reazeme) şi

lăţime. Grosimea lamelelor scăzând parabolic de la mijloc spre capete, se obţin

eforturi constante pe toată lungimea acestora. Pentru obţinerea unei fixări optime a

lamelelor în zona bridei arcului şi pentru realizarea suprafeţelor de frecare la capete,

în aceste zone grosimea lamelelor este constantă.

Pentru a se evita orice contact direct între lamelele arcului parabolic, la mijloc

sau la capete, s-au introdus garnituri speciale care asigură o întreţinere uşoară,

uzură redusă şi o întrebuinţare mult mai bună a materialului.

Pentru obţinerea unor condiţii optime de amortizare, mai ales atunci când

condiţiile de cale sunt rele, arcul parabolic poate fi echipat, dacă este necesar, cu

elemente de cauciuc care strâng capetele lamelelor. Ia naştere astfel o forţă

suplimentară de frecare, a cărei mărime optimă este determinată prin încercările

dinamice efectuate în timpul circulaţiei vehiculului.

Cele mai simple tipuri de suspensii sunt cu arcuri lamelare legate de şasiu prin

legături pendulare, sub formă de inele în poziţie oblică.

2/9

Fig. 3. Suspensie cu dublă flexibilitate formată dintr-un arc trapezoidal şi arc adiţional de cauciuc.

O soluţie aplicată de DB (fig. 3) cuprinde un arc lamelar trapezoidal şi un arc

adiţional din cauciuc. La încărcări mici ale vehiculului se asigură o elasticitate mare a

suspensiei, cele două arcuri lucrând în serie, iar după consumarea jocului j, la

încărcări mari, suspensia devine mai rigidă, deoarece lucrează numai arcul

trapezoidal.

Încercările dinamice efectuate în circulaţie au arătat o importantă dependenţă

asupra calităţii de rulare a vehiculelor în funcţie de starea căii şi o mai mică influenţă

a gradului de încărcare. Rezultatele cele mai favorabile s-au obţinut prin

precomprimarea lamelelor stabilite în mod corespunzător prin încercări.

2. Calculul arcurilor lamelare Un calcul precis al arcurilor lamelare este dificil de făcut dacă se ţine seama de

forma şi dimensiunile arcului, de efectul strângerii în legătura de arc, sau de

curburile diferite ale lamelelor. De aceea, în general relaţiile de calcul se stabilesc

pornind de la ipoteza că arcul este o grindă de egală rezistenţă solicitată la

încovoiere.

Pentru un arc trapezoidal simplu, simetric, cu lamele de aceeaşi grosime,

încărcat cu sarcina P, relaţia de calcul, conform Raportului ORE B12/RP25, a

flexibilităţii specifice medii ck /1= este

Enbh31 /KLk s

3= [mm/kN] (1)

în care coeficientul K1 dependent de nn /'=ν şi Le / este dat de relaţia

3/9

( )⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+= 1

1

ln232

21

31141

3

23

1 ν

ννν

LeK (2)

Fig. 4. Schemă pentru calculul arcurilor trapezoidale simple.

În relaţiile (1) şi (2) avem:

Ls - lungimea desfăşurată a lamelei principale între axele ochiurilor arcului;

n - numărul lamelelor componente;

n’ - numărul lamelelor de lungime L;

b, h - lăţimea, respectiv grosimea unei lamele;

e - lăţimea legăturii de arc;

E - modulul de elasticitate longitudinală.

Relaţia (1) este valabilă pentru arcurile drepte sau aproximativă pentru arcurile

cu săgeţi p mici, pozitive. O estimare a influenţei săgeţii negative sau a săgeţii p

asupra flexibilităţii k este posibilă printr-un factor de corecţie, astfel

3

3

22

3161

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛ −−=

sL

dpK (3)

în care d este diametrul ochiului de fixare.

Dacă se neglijează influenţa strângerii în brida arcului, cele mai mari tensiuni

de încovoiere se produc la mijlocul arcului.

Pentru un arc solicitat la capete numai de sarcina verticală P/2, tensiunea

maximă este

4/9

223nbhPL

=σ (4)

Dacă arcul este suspendat prin inele care fac unghiul α cu verticala, atunci

expresiile lui k şi σ se înmulţesc cu

αtgL

hp⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

+21 (5)

Lungimile lamelelor rezultă conform fig. 4, în care

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

−=

'

312 nn

eLa s

(6)

Numărul lamelelor n’ se alege astfel încât limita superioară a raportului n’/n să

fie 1/3, valorile de la 1/6 la 1/4 fiind cele mai favorabile conform Raportului ORE

B12/RP25.

Un arc trapezoidal cu dublă flexibilitate (progresiv) este format dintr-un arc

superior cu ns lamele de grosime hs şi dintr-un arc inferior cu ni lamele de grosime hi

(fig. 5). Când ele lucrează împreună, arcul superior şi cel inferior formează un arc

trapezoidal complet din punctul de vedere al momentului de inerţie.

Fig. 5. Schemă pentru calculul arcurilor trapezoidale cu dublă flexibilitate.

Flexibilitatea medie a arcului superior

EbhnKLk ssss3

3 /= [mm/kN]

5/9

cu ( )⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+= 1

1

ln322

21

31141

3

23

3s

sss

s

i

LLK

ν

ννν (7)

în care Li este lungimea desfăşurată a primei lamele (cea mai lungă) a arcului

inferior, iar sss nn /'=ν .

Flexibilitatea întregului arc

( )334

3

iiss

s

hnhnbEKLk+

= [mm/kN] (8)

cu ( )⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+= 1

1

ln232

21

31141

3'

'2''3

4ν

ννν

sLeK (9)

în care 33

3''

iiss

ss

hnhnhn+

=ν (10)

Lungimile lamelelor se stabilesc cu relaţiile

( )3

'

31

21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+

−=

s

iiss

s

s

hhnnn

eLa (11)

3

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

s

isi h

haa (12)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+−= '

312 ssssi nnaLL (13)

Fişa UIC 517 indică ca tensiunile în arc să fie comparate cu cele existente la un

arc standardizat cunoscut, de concepţie apropiată, montat pe un vehicul comparabil.

În cazul când tensiunile sunt mai mari decât cele corespondente din arcul

standardizat, se vor efectua încercări la oboseală. Încercarea se efectuează la un

milion de cicluri cu o sarcină de bază corespunzătoare sarcinii totale a vehiculului şi

o variaţie în amplitudine de ± 25% din această valoare.

Relațiile de calcul al arcurilor lamelare parabolice sunt prezentate detaliat în

Raportul ORE B12/RP43.

În tabelul 1 sunt indicate principalele caracteristici ale unor tipuri de arcuri

lamelare standardizate pentru vagoane de marfă pe boghiuri şi cu două osii.

6/9

3. Caracteristicile arcurilor lamelare Caracteristica teoretică a unui arc cu flexibilitate constantă, în lipsa frecării

dintre lamele, este o dreaptă (q) care are coeficientul unghiular egal cu rigiditatea

c=1/k a arcului.

Pentru a arăta efectul frecării asupra caracteristicii arcului se consideră că

acesta este încărcat cu sarcina P0, căreia îi corespunde o săgeată f0 (fig. 6).

Deformaţia arcului, prin creşterea sarcinii la încărcare, nu este posibilă decât dacă

se aplică pe arc o forţă Pc0 care să învingă atât forţa elastică P0, cât şi forţa 00 cf PP ϕ=

(φ – coeficientul de frecare relativă) corespunzătoare frecării dintre lamele. La

descărcare, frecarea îşi schimbă sensul, opunându-se forţei elastice, iar arcul va

rămâne nedeformat până la o valoare minimă Pd0 a forţei aplicate. Prin urmare,

pentru a realiza săgeata f0 sub sarcină crescătoare este necesară forţa

0 c00 00 P f ϕ= + = cPPP fc +

de unde se obţine ϕ-1f 0

0 cPc = (14)

Pentru sarcini descrescătoare rezultă

ϕ+1=

f 00

cPd (15)

Fig. 6. Stabilirea caracteristicii teoretice a arcului lamelar.

Deci, la încărcare arcul va avea o caracteristică (qc) şi rigiditatea cc=c/(1-φ), iar

la descărcare caracteristica (qd) şi cd=c/(1+φ).

7/9

Tabelul 1 Tipuri de arcuri lamelare standardizate UIC

Tipul arcului Pentru boghiuri Pentru vagoane cu două osii

Parabolic 22,5 t/osie

Parabolic 20 t/osie

Parabolic 22,5 t/osie

Trapezoidal 20 t/osie

Flexibilităţile medii ale arcului determinate pe stand la o încărcare de 1 kN, în mm/kN: - arcul superior - ansamblul arcului

1,15 0,61

1,52 0,63

1,27 0,56

1,07 0,48

Flexibilităţile medii ale ansamblului arcului suspendat prin inele unificate, în mm/kN: - arcul superior - ansamblul arcului

1,13 0,54

1,82 0,59

1,55 0,55

0,88 0,48

Sarcina de comutare (la schimbarea flexibilităţii), în kN

40 37,6 41,1 10,5

Lungimea lamelei principale între axele ochiurilor de prindere, în mm

1200 1200 1200 1200

Înălţimea arcului în stare liberă, în mm 116 232 227 216

Secţiunea lamelelor, în mm2: - arcul superior - arcul inferior

120·21 120·28

120·20 120·35

120·21 120·36

120·15 120·20

Numărul de lamele: - arcul superior - arcul inferior

4 1

4 1

4 1

5 4

Dimensiunile bridei, în mm: - lăţime - înălţime - lungime

100 163 150

100 170 150

100 170 150

100 204 153

Masa în kg 95 97 103 130

Presupunând că sub acţiunea unei sarcini dinamice arcul îşi modifică săgeata

între f0-z şi f0+z, va rezulta ciclul teoretic de funcţionare a-b-c-d. Energia disipată pe

un ciclu de funcţionare, egală cu lucrul mecanic al forţelor de frecare, este dată de

aria suprafeţei abcd

-1f c 4

20

ϕϕzLf = (16)

Pentru a îmbunătăţi comportamentul suspensiei vehiculelor cu încărcare

variabilă, arcurile pot fi construite astfel încât să aibă o dublă flexibilitate.

Fenomenul de histerezis, produs de forţele de frecare dintre lamele, constituie

factorul cel mai important prin care caracteristica reală a arcului diferă de cea

8/9

9/9

teoretică. Histerezisul depinde de coeficientul de frecare dintre lamele, de numărul şi

dimensiunile lamelelor, de distribuţia forţelor de frecare pe suprafaţa lamelelor. După

caracteristica reală a arcului, se constată de asemenea că după descărcare acesta

nu revine la poziţia iniţială 0, ci apare o săgeată reziduală fi.

La arcurile cu dublă flexibilitate, până la atingerea săgeţii (de comutare) fc

lucrează numai arcul superior, după care lucrează ambele arcuri.

4. Concluzii Arcurile lamelare de tip trapezoidal au o greutate mare şi o frecare proprie

mare, care se manifestă prin fenomenul de rigidizare la şocuri mici. Autoamortizarea

arcului nu este controlabilă datorită influenţei asupra frecării dintre lamele, a gradului

de uzură şi a umidităţii. Frecarea neuniformă duce la apariţia unor zone cu eforturi

mari de contact între lamele, în care apar zgârieturi şi apoi microfisuri de oboseală.

Arcul parabolic are o rezistenţă mărită la coroziune prin posibilitatea de a se

aplica o peliculă protectoare datorită spaţiilor libere între lamele.

Pe lângă cele menţionate şi alte avantaje tehnice, ca de exemplu greutatea mai

mică faţă de arcul trapezoidal, rigiditatea constantă în timpul vieţii arcului şi

posibilităţile îmbunătăţite de concepţie constructivă, pledează în favoarea arcului

parabolic.

Bibliografie 1. Sebeşan, I., Dinamica vehiculelor de cale ferată, Editura tehnică, Bucureşti,

1995;

2. Sebeşan, I., Copaci, I., Teoria sistemelor elastic la vehiculele feroviare, Matrix

Rom, Bucureşti, 2008;

3. Sebeşan, I., Hanganu, D., Proiectarea suspensiilor pentru vehicule pe şine,

Editura tehnică, Bucureşti, 1993;

4. Raportul ORE B12/RP25, Flexibilité des ressorts à lames, Utrecht, 1976;

5. Raportul ORE B12/RP43, Ressorts paraboliques pour wagons, Utrecht, 1988.