CC BY
41
УДК 629.4.027.115
А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, М. И. Ковалев
УСТРОЙСТВА БУКС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДЛЯ ВОСПРИЯТИЯ РАМНОЙ СИЛЫ
В статье приведен анализ отечественного и зарубежного опыта конструирования осевых упоров в буксах железнодорожного подвижного состава. Предложены перспективные конструкции осевых упоров скольжения и качения, позволяющие повысить ресурс цилиндрических подшипников и снизить энергозатраты на преодоление сил трения в элементах букс.
Наиболее опасные дефекты буксовых подшипников являются следствием неблагоприятного воздействия рамной силы, которая передается от колесной пары через элементы буксы и приливы корпуса ограничителям буксового проема боковой рамы, поэтому конструктивное построение букс целесообразно рассматривать с точки зрения методов восприятия рамной силы.
В практике конструирования букс железнодорожного подвижного состава для восприятия рамной силы используются тела качения подшипников или осевые упоры различных типов (рисунок 1). Передача рамной силы телами качения может осуществляться рабочей поверхностью качения, торцами роликов, а также частично - рабочей поверхностью и частично - торцами.
Рисунок 1 - Способы передачи рамной силы элементами буксы грузового вагона
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба | ^
Рабочей поверхностью тел качения рамную силу воспринимают сферические подшипники без бортов с симметричными роликами. Опытные буксы с одним или двумя такими подшипниками изготавливались в СССР в 1952, 1954 гг. [1, 2]. Сферические подшипники для вагонных букс не получили широкого распространения, поскольку требуют высокой точности изготовления, их работоспособность существенно зависит от качества поверхности сферических дорожек качения и величины радиальных зазоров. Фактический ресурс таких подшипников оказался в восемь раз меньше расчетного, и опытные буксы были сняты с эксплуатации. Стоимость изготовления сферических подшипников больше, чем цилиндрических. Сферические подшипники имеют меньшую площадь контакта, чем цилиндрические, поэтому при качении возникают контактные напряжения, при которых ухудшаются условия смазывания и повышается нагрев. Из-за меньшей площади контакта сферические подшипники должны иметь большие габаритные размеры.
Роликовые цилиндрические подшипники воспринимают рамную силу торцами роликов в условиях трения скольжения в контакте с бортами колец. Такой характер взаимодействия контактирующих поверхностей в условиях перекоса колец и тел качения приводит к разрушению слоя смазочного материала, высоким значениям контактных напряжений, повышенному нагреву, возникновению опасных дефектов, таких как трещины и отколы бортов [3].
Рабочей поверхностью и частично торцами роликов воспринимают рамную силу конические роликовые подшипники. Поскольку в них сохраняется бортовая схема восприятия рамной силы, в эксплуатации в них обнаруживаются дефекты, аналогичные дефектам цилиндрических подшипников [4]. Кроме того, работа конических подшипников сопровождается повышенным нагревом, что приводит к необходимости повышения порога чувствительности диагностирующих устройств.
Осевые упоры, применяемые в буксах, представляют собой пары трения, амортизаторы с упругими элементами и шарикоподшипники.
Плоские осевые упоры с бронзовой наплавкой получили распространение в основном в буксах локомотивов. К их недостаткам относятся большая масса, сложность подведения смазочного материала в зону трения, отброс смазочного материала под действием центробежных сил, повышенные контактные напряжения при перекосах.
Применение осевых упоров - амортизаторов с упругими элементами в виде резинометалли-ческих вкладок и подушек различной формы - ограничено неудовлетворительными эксплуатационными характеристиками резиносодержащих элементов, такими как зависимость упругих свойств от температуры окружающей среды и старение резины.
Существует отечественный и зарубежный опыт применения шариковых подшипников в качестве осевых упоров в буксах.
Недостатком подобной буксы является восприятие шариковым подшипником части радиальной нагрузки (рисунок 2). Наружное кольцо шарикового подшипника 2 зажимается крепительной крышкой 3 вместе с наружными кольцами цилиндрических подшипников. При изменении направления рамной силы шарики перекатываются по желобу внутреннего кольца, наружное кольцо подвергается перекосу и приходит в более плотное соприкосновение с корпусом буксы, приподнимая его край. Возникает перегружение радиальными нагрузками заднего цилиндрического и шарикового подшипников, а передний цилиндрический подшипник 1 оказывается полностью раз-
Рисунок 2 - Распределение радиальной нагрузки в опытной буксе поезда «Аврора»
груженным. Другим недостатком этой буксы является раздельное фиксирование наружного и внутреннего колец шарикового подшипника, которое вызывает их относительный угловой перекос в вертикальной плоскости.
Еще один вариант применения в буксе осевого упора в виде шарикового подшипника состоит в размещении его между двумя укороченными цилиндрическими роликовыми подшипниками. Для обеспечения возможности монтажа и демонтажа наружное кольцо выполнено разъемным. Однако существенное укорочение длины роликов привело к снижению грузоподъемности подшипников и снижению их ресурса в 20 раз. Еще один выявленный недостаток заключается в отсутствии возможности постоянного соосного расположения двух наружных полуколец шарикового подшипника, зажимаемых наружными кольцами роликовых подшипников, а также в относительном угловом перекосе наружного и внутреннего колец шарикового подшипника в вертикальной плоскости. Фиксирование разъемного наружного кольца шарикового подшипника вместе с наружными кольцами роликовых подшипников монтажными усилиями зажатия Р3аж (рисунок 3) в условиях действия рамной силы приводит к двустороннему восприятию шариковым подшипником дополнительных радиальных нагрузок Т?2 и, как следствие, к неблагоприятному их перераспределению между задним и передним роликовыми подшипниками и 7?з) в зависимости от направления рамной нагрузки. В связи с неудовлетворительными результатами поездных испытаний обе рассмотренные опытные буксы были сняты с эксплуатации [5].
Буксы высокоскоростных экспресссов «Токайдо» производства Японии также содержат радиальный шариковый подшипник. От опытной буксы скоростного поезда «Аврора» конструкция отличается свободной установкой наружного кольца шарикового подшипника, что обеспечивает его одностороннюю нагру-женность.
Между наружным кольцом и крышкой буксы, в которой он находится, предусмотрен зазор 0,5 мм. Однако работоспособность осевого упора в виде шарикоподшипника снижена вследствие перекосов шейки оси, так как в подшипнике работает ограниченное число тел качения [1].
На основании анализа конструкций вагонных букс можно выделить ряд факторов, оказывающих наибольшее влияние на работоспособность упорных устройств и эффективность восприятия рамной силы:
- самоустановка элементов упорного устройства;
- условия смазывания (подведение и удержание смазочного материала);
- вид трения (скольжение или качение);
- значение контактных напряжений в элементах.
С учетом перечисленных факторов авторами предлагаются варианты конструкций вагонных букс, содержащих самоустанавливающиеся осевые упоры скольжения (рисунок 4, а) [6] или качения (рисунок 4, б) [7], обеспечивающие эффективное восприятие рамной силы при минимальных значениях контактных напряжений в элементах.
Букса с осевым упором качения, обеспечивая повышение ресурса, предполагает существенное снижение потерь на трение.
Рассмотрим устройство и работу этого варианта буксы (см. рисунок 4, б). Букса содержит ось 1, шейку оси 2, на которую установлены подшипники 3 с цилиндрическими роликами. Внутренние кольца подшипников выполнены без бортов, наружные кольца - с двумя бортами. Внутренние кольца подшипников закреплены от осевого смещения на шейке оси стопорным кольцом 4 через опорное кольцо 5. Наружные кольца подшипников установлены в корпус 6 буксы и фиксируются прижимной крышкой 7 через осевую опору 8. Конические поверхности 9 и 10 опоры 8 выполнены из шарикоподшипниковой стали. В отверстии шейки оси 2 размещена опора 11 (пята), торцовая поверхность опоры 11 прижимается к торцовой поверхности отверстия в шейке оси пружиной сжатия 12 через втулку 13. Пружина 12 другим торцом взаимодействует с упором 14, а упор 14 - с шаром 15 (подпятником). Между подпятником и коническими поверхностями опоры 8 размещены тела вращения 16, например сферы (шарики). Шарики установлены в сепараторе 17 в виде сферического сектора с упорами 18 и 19.
Рисунок 4 - Схема буксы грузового вагона с осевым упором: а - скольжения; б - качения
Внутренняя полость буксы заполняется смазочным материалом и закрывается смотровой крышкой 20. В эксплуатационных условиях качество смазки проверяется отбором части смазочного материала через отверстие 21.
Буксовый узел работает следующим образом. При движении железнодорожного состава и радиальной нагрузке на цилиндрические ролики подшипников буксы ось 1 вращается вместе с упором 14, торцовая поверхность которого передает вращательное движение подпятнику 15 и шарикам 16 в сепараторе 17, при этом осевое расположение сепаратора определяется его упорами 18 и 19, взаимодействующими с торцовой поверхностью осевой опоры и сферической поверхностью подпятника.
^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
При осевой нагрузке опора 11 (пята) вступает в контакт с подпятником 15, который при вращении оси 1 передает нагрузку шарикам 16 и коническим поверхностям 9 и 10 осевой опоры.
Трение качения в опорном устройстве, включающем в себя пяту с конической поверхностью и подпятник со сферической поверхностью, контактирующей с шариками, взаимодействующими с коническими поверхностями осевой опоры, обеспечивает снижение вращающего момента, действующего на осевую опору, улучшение триботехнических параметров осевой опоры, воспринимающей динамические воздействия при движении состава. Это позволяет повысить долговечность подшипников с цилиндрическими роликами и ресурс буксового узла в целом.
Исключение воздействия рамной силы на подшипники создает предпосылки для дальнейшей модернизации буксы - применения вместо двух цилиндрических подшипников двухрядного роликового подшипника с безбортовыми кольцами и с более высокой грузоподъемностью [8].
Применение упорных устройств вагонных букс, основанных на трении качения, помимо продления ресурса цилиндрических подшипников приводит к существенному снижению энергозатрат в буксах за счет снижения расхода мощности на преодоление сил сопротивления в элементах упорного устройства.
Список литературы
1. Волков, Н. Н. Подшипники качения колесных пар вагонов и локомотивов [Текст] / Н. Н. Волков, Н. В. Родзевич. - М.: Машиностроение, 1972. - 168 с.
2. Амелина, А. А. Устройство и ремонт вагонных букс с роликовыми подшипниками /
A. А. Амелина. - М.: Транспорт, 1975. - 288 с.
3. Опыт эксплуатации вагонов с буксовым узлом на роликовых подшипниках /
B. В. Абашкин, В. Ф. Девятков и др. // Работа вагонных букс с роликовыми подшипниками при высокоскоростном движении: Труды ЦНИИ,- М.: Транспорт, 1970. - Вып. 405. - С. 4 - 9.
4. Сергеев, К. А. Повышение работоспособности буксового узла с кассетным подшипником [Текст] / К. А. Сергеев, А. Н. Францев // Железнодорожный транспорт. 2008. - № 7. -
C. 58-62.
5. Цюренко, В. Н. Надежность роликовых подшипников в буксах вагонов / В. Н. Цюрен-ко, В. А. Петров. М.: Транспорт, 1982. - 96 с.
п
6. Пат. 82011 Российская Федерация, МПК Б16С 17/04. Подшипник со сферическими упорными поверхностями / Бородин А. В., Иванова Ю. А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». - № 2008145684/22; заявл. 19.11.2008; опубл. 10.04.2009, Бюл. № 10. - 2 е.: ил.
7. Пат. 2309865 Российская федерация, МПК' В61Б 15/12. Букса
с цилиндрическими
роликоподшипниками / Бородин А. В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». - № 2006114319; заявл. 26.04.2006; опубл. 10.11.2007, Бюл. № 31. -2 е.: ил.
п
8. Пат. 65008 Российская Федерация, МПК В 61 Б 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником / Бородин А. В., Иванова Ю. А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». - № 2007112328; заявл. 02.04.07; опубл. 27.07.2007, Бюл. № 21. - 2 е.: ил.
