Буксовые узлы локомотивов
§17 буксовые узлы локомотивов.
Буксами называются узлы ходовой части подвижного состава, обеспечивающие связь вращающихся при движении осей колесных пар с частями экипажа, совершающими поступательное движение (например, рама тележки, рама тепловоза).
Буксы передают на буксовые шейки осей колесных пар вертикальные нагрузки от веса тепловоза, продольные тяговые и тормозные усилия, а также поперечные усилия, возникающие при прохождении локомотивом кривых участков. Буксовые узлы вместе с колесными парами также воспринимают от рельсовой колеи и передают другим узлам экипажной части динамические нагрузки при движении тепловоза по неровностям пути.
На рис. 73 показаны направления действия усилий (сил) на колесную пару с буксами при прохождении тепловозом неровности пути, а именно:
(2П - q) — доля веса локомотива, приходящаяся на буксы одной оси, где 2П — нагрузка от колесной пары на рельсы, q — вес колесной пары;
Fк — тяговое усилие, передаваемое от буксы через раму движущемуся составу;
Вт — тормозные силы;
Мк — вращающий момент, передаваемый на ось от тягового электродвигателя посредством тягового редуктора.
Одновременно буксы через упоры 3 воспринимают и передают на раму тележки силы Y поперечного действия (вдоль оси у), возникающие при движении экипажа в кривых участках пути и при колебаниях в прямых участках пути.
Рекомендуемые материалы
Рис. 73. Схема прохождения колесной парой тепловоза неровности пути:
1 — букса; 2 — буксовая шейка оси колесной пары; 3 — ось колесной пары
Несмотря на сравнительно небольшие значения размеров неровностей рельсового пути h и L (например, h = 1 мм, L = 1,5 — 2 м), при их прохождении колесная пара, а вместе с ней и другие неподрессоренные узлы экипажа, получают значительные ускорения, порядка (10 — 15)g. Это приводит к значительным динамическим усилиям, передаваемым не только на узлы экипажной части, но и на тяговые электродвигатели локомотива.
Особенно большие динамические нагрузки на экипажную часть движущегося подвижного состава возникают при эксплуатации в зимнее время при суровых морозах, когда балласт смерзается и резко возрастает жесткость верхнего строения пути, особенно при использовании железобетонных шпал.
Для снижения воздействия на тепловоз этих значительных динамических усилий необходимо осуществить разделение масс колесных пар и экипажа и обеспечить их относительные перемещения с помощью упругих связей и амортизаторов по координатам х, у, z (см. рис. 73), что, собственно, и должны обеспечить буксовые узлы локомотива.
Классификация букс. Конструкции буксовых узлов различают по следующим главным признакам:
· типу подшипников — с подшипниками скольжения и качения;
· типу упругой вертикальной связи, посредством которой экипаж опирается на корпус буксы, — витые пружины, листовые рессоры, резинометаллические блоки, пневматические упругие элементы;
· способу соединения с рамой экипажа — с поступательно движущимися частями, с шарнирно-поводковым и рычажным механизмом;
· способу передачи поперечных сил от оси колесной пары к корпусу буксы — жестким или упругим упором, посредством подшипников качения.
Буксовые узлы локомотивов находятся в тяжелых условиях работы: большие величины воспринимаемых усилий (вертикальные 100 — 120 кН; продольные тяговые и тормозные 20 — 25 кН; поперечные рамные 50 — 75 кН), значительные динамические нагрузки, широкий диапазон изменения температуры окружающего воздуха от -50 до +50 °С. Качество конструкции буксового узла также оказывает непосредственное влияние на энергетические показатели локо-мотивной тяги (расход топлива или электроэнергии), плавность хода и безопасность движения подвижного состава, ресурс работы и др.
Рассмотрим особенности и основные свойства конструкций буксовых узлов в той исторической последовательности, как они применялись на локомотивах.
Буксы с подшипниками скольжения стали применяться уже на первых локомотивах — паровозах. По форме они внешне сильно походили на ящик. Поэтому название «букса» с английского «box» и немецкого «Buchse» так дословно и переводится на русский язык — ящик, коробка. Современные буксовые узлы локомотивов, при кажущейся простоте конструкции, мало напоминают ящик. Они являются ответственной частью экипажа подвижного состава, от которой зависит безопасность движения поездов, и состоят из следующих основных элементов: подшипников, корпуса, упоров, уплотняющих деталей, упругой вертикальной связи и устройств продольного и поперечного соединений с рамой экипажа.
Вернемся к буксам с подшипниками скольжения, которые в нашей стране устанавливали вплоть до 1953 г. практически на всех сериях отечественных тепловозов ТЭ1, ТЭ2, электровозов ВЛ19, ВЛ22 и почти на всех типах вагонов.
Рис. 74. Схема устройства буксы скольжения:
1 — корпус буксы; 2 — манжета; 3 — ось колесной пары; 4 — вкладыш подшипника; 5 — буксовый камень; 6 — опора балансира рессорного подвешивания; 7 — крышка; 8 — осевой упор; 9 — фитиль; 10 — подбивочные валики
В зависимости от расположения буксовых шеек на оси колесной пары (внешнее или внутреннее) буксы с подшипниками скольжения изготавливали закрытого типа (рис. 74) для тележечных экипажей (тепловозы и электровозы) и разъемными — при расположении колесных пар в жесткой раме локомотива (паровозы).
В корпусе 1 буксы, уплотненном манжетой 2, относительно оси 3 колесной пары установлен буксовый камень 5, посредством которого на шейке оси удерживается от проворота бронзовый вкладыш 4, залитый антифрикционным сплавом (баббит Б16).
Для восприятия поперечных усилий и ограничения поперечного перемещения оси колесной пары в корпусе 1 буксы имеется стальной осевой упор 8, армированный бронзой и смазываемый жидкой смазкой совместно с торцом оси при помощи фитиля 9. В нижней части буксы размещены подбивочные валики 10, подающие жидкую смазку к шейке оси. Контроль технического состояния буксы и уровня смазки, а также пополнение смазки осуществлялись через торцовой проем корпуса 1 буксы, закрытый крышкой 7.
Вертикальная нагрузка от рамы тележки передается на корпус буксы посредством опор 6 надбуксовых балансиров, соединенных с упругими элементами, и далее через буксовый камень 5 и вкладыш 4 — к шейке оси. Корпус буксы размещается в брусковой раме тележки благодаря буксовому вырезу, обеспечивающему поступательное перемещение рамы тележки относительно корпуса буксы.
Буксы с подшипниками скольжения имеют следующие недостатки: повышенное сопротивление движению локомотива, низкую надежность, большой расход дефицитных цветных металлов, необходимость частого (практически ежедневного) контроля и обслуживания, зависимость сопротивления движению от температуры окружающего воздуха.
Существенные недостатки, присущие буксовым узлам с подшипниками скольжения, обусловили переход железных дорог к конструкциям букс с подшипниками качения (применены на всех сериях отечественных тепловозов — начиная с ТЭЗ, серийный выпуск которых был начат в 1953 г.), что явилось одним из важных аспектов прогресса на железнодорожном транспорте. Выпуск пассажирских вагонов с буксами с подшипниками скольжения в нашей стране был прекращен в 1960 г., а грузовых вагонов — в 1983 г. В настоящее время весь парк подвижного состава отечественных дорог оборудован буксами с подшипниками качения.
Подшипники качения практически во всем диапазоне скоростей движения и, особенно, при трогании с места имеют значительно меньшее (в 5 — 8 раз) удельное сопротивление движению по сравнению с подшипниками скольжения, что дает значительный экономический эффект, связанный, в первую очередь, с уменьшением расхода энергоресурсов на тягу поездов.
Буксовые узлы, применяемые на локомотивах, различными способами соединяются с рамами тележек. Одной из первых и достаточно распространенных конструкций букс с подшипниками качения является так называемая челюстная букса (тепловозы ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭП10, М62, ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ6 и др.), размещаемая с небольшим зазором между двумя кронштейнами — челюстями 1 (рис. 75), приваренными к боковине тележки 2. При движении колесной пары по неровностям пути и в процессе деформации упругих элементов рессорного подвешивания корпус буксы 3 вместе с осью 4 перемещается по оси z относительно челюстей тележки, при этом со стороны приложения силы тяги Fк между корпусом буксы и кронштейном развивается сила трения Fтр = μFк, (μ — коэффициент трения), препятствующая перемещению буксы. Трущиеся поверхности корпуса 3 буксы и челюстей 1 снабжаются специальными наличниками, сменяемыми в процессе ремонта. Конструкция корпуса буксы обеспечивает подачу смазки к наличникам, что способствует уменьшению сил трения и снижению износа деталей.
Рис. 75. Схема соединения челюстной буксы в раме тележки тепловоза 2ТЭ10Л:
1 — челюсти тележки; 2 — рама тележки; 3 — букса; 4 — ось колесной пары
На рис. 76 показана конструкция челюстной буксы крайней колесной пары тележки тепловоза ТЭМ2 с двумя роликовыми подшипниками качения. Внутренний диаметр подшипников 160мм (соответствует диаметру шейки оси), наружный — 290 мм. Расчетная долговечность подшипников 3,5 — 4 млн. км пробега. Подшипники 7 с цилиндрическими роликами обеспечивают необходимый поперечный разбег колесной пары, при этом поперечные усилия Y передаются на стальной корпус 8 буксы посредством осевого упора скольжения 12, имеющего упругое перемещение благодаря пружине, установленной между упором и корпусом буксы с предварительной затяжкой 16 кН. Осевой упор 12 имеет бронзовую или капроновую наделку, в которую упирается торец оси колесной пары при поперечных перемещениях.
Свободный разбег крайних колесных пар тепловоза ТЭМ2 составляет 1,5 мм на сторону (суммарный — 3 мм), упругий разбег на сторону равен 11 мм (суммарный упругий разбег — 22 мм). Средняя ось имеет разбег на сторону 14— 15 мм (суммарный 28 — 30 мм). Буксы средних колесных пар имеют неподвижный упор.
Рис. 76. Роликовая букса тепловоза ТЭМ2:
1 — опора балансира; 2 — арка; 3 — лабиринтное кольцо; 4 — задняя крышка; 5, 6 — дистанционные кольца; 7 — роликоподшипник; 8 — корпус буксы; 9 — фитиль; 10 — передняя крышка; 11 — регулировочные прокладки; 12 — осевой упор скольжения
Применение на крайних колесных парах букс с упругими осевыми упорами позволяет осуществить более равномерную передачу усилий от оси колесной пары к раме тележки и способствует плавному повороту тележки при прохождении кривых участков пути, а также повышает плавность хода при высоких скоростях движения.
Роликовые подшипники челюстных букс смазываются жидкой или консистентной смазкой, осевой упор скольжения — жидкой смазкой с помощью фитиля 9.
Существенным недостатком челюстного буксового узла является повышенный износ трущихся поверхностей, возникновение ударных нагрузок, высокая трудоемкость технического обслуживания и ремонта, применение в одном узле двух видов смазки. Наличие зазоров между корпусами букс и челюстями приводит к произвольному перемещению колесных пар тележки в продольном и поперечном направлениях, что увеличивает виляние экипажа локомотива в рельсовой колее. Подобное явление повышает сопротивление от трения скольжения движению локомотивов и приводит к дополнительному расходу топлива на тягу поездов.
На ряде серий зарубежных маневровых тепловозов (ЧМЭ2, ЧМЭЗ) и пассажирских электровозов (ЧС1, ЧС2, ЧС6, ЧС8, ЧС200), поставлявшихся в советские времена из Чехословакии, применены буксовые узлы с подшипниками качения, имеющие связь корпуса букс с рамой тележки посредством цилиндрических направляющих. Такой тип буксы локомотивов получил название буксовый узел с цилиндрическими направляющими.
Цилиндрические направляющие запрессовываются в раму тележки локомотива и соединяются с приливами буксы через резинометаллические блоки.
Такая конструкция буксового узла позволила преодолеть некоторые недостатки, присущие челюстным буксовым узлам. Прежде всего, оказалось возможным обеспечить скользящую посадку узлов трения скольжения буксы, т.е. свести зазор между корпусом буксы и частями рамы тележки к минимуму. В результате удалось повысить устойчивость движения тележек тепловоза из-за уменьшения эффекта виляния экипажа локомотива в рельсовой колее и улучшить динамику и плавность хода локомотива. Эта конструкция буксового узла достаточно удобна при обслуживании и ремонте, имеет меньший вес по сравнению с челюстной буксой.
К недостаткам буксового узла с цилиндрическими направляющими следует отнести следующее: необходимость постоянного в эксплуатации добавления смазки в узел трения, большой расход дефицитных цветных металлов (бронзы), заметная неравномерность нагружения буксовых подшипников и др.
Более совершенной конструкцией является буксовый узел с шарнирно-поводковым механизмом, который применен практически на всех современных магистральных тепловозах (2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116, 2ТЭ121, 2М62У, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП80, 2ТЭ70 и др.). В таком типе буксового узла, который также называют бесчелюстной буксой, почти исключены трение скольжения и связанный с этим явлением интенсивный износ деталей буксы и оси колесной пары.
Следует отметить, что впервые буксовые узлы с шарнирно-поводковым механизмом, с поводками, расположенными в разных уровнях, применила на своих локомотивах известная французская фирма «Альстом».
Устройство буксовых узлов с шарнирно-поводковыми механизмами тепловозов примерно одинаковое, различаются конфигурация корпусов букс, их крепление и некоторые размеры. Более подробно конструкцию бесчелюстной буксы рассмотрим на примере буксового узла грузового тепловоза 2ТЭ116 (рис. 77).
Корпус 7 бесчелюстной буксы выполнен в виде отливки из стали 25ЛII. Он двумя поводками 17 и 19, расположенными в разных уровнях, соединен с рамой тележки тепловоза. Поводки закрепляют в трапециевидных пазах корпуса 7 буксы и рамы тележки.
В цилиндрическую расточку корпуса 7 буксы устанавливают по скользящей посадке два наружных кольца роликовых подшипников 6. Для букс тепловозов используются роликовые подшипники серии 30-32532Л1М (160x290x80 мм). Внутренние кольца этих подшипников горячей посадкой напрессовывают на буксовую шейку оси с натягом 0,035 — 0,065 мм. Между кольцами роликовых подшипников установлены дистанционные кольца 4 и 5. Для предотвращения сползания внутренних колец подшипников с шейки оси служит стопорное кольцо 14.
Рис. 77. Бесчелюстная букса тепловозов 2ТЭ116:
1 — стопорная планка; 2 — лабиринтное кольцо; 3 — задняя крышка; 4, 5 —дистанционные кольца; 6 — роликоподшипник; 7 — корпус буксы; 8 — передняя крышка; 9 — упорный шарикоподшипник; 10 — упор; 11 — амортизатор; 12 — пружина осевого упора; 13, 14 — стопорные кольца; 15 — уплотнение; 16 — пробка; 17, 19 —поводки; 18, 20 — резинометаллический шарнир
Разность радиальных зазоров в подшипниках одного буксового узла допускается не более 0,03 мм. Этим обеспечивается более равномерное распределение нагрузки от веса тепловоза по длине буксовой шейки оси колесной пары.
Корпус 7 буксы с обеих сторон закрыт крышками 3 и 8. Задняя крышка 3 вместе с кольцом 2 образуют лабиринтное уплотнение, которое в эксплуатации заполнено смазкой. Лабиринтное кольцо 2 горячим способом с натягом напрессовывают на предподступичную часть оси до упора в галтель. Нагрев кольца 2 производится в индустриальном масле, температура нагрева 120 — 150 °С. Лабиринтное уплотнение препятствует попаданию внутрь корпуса буксы пыли и грязи.
В передней крышке 8 буксы смонтирован осевой упор. Основным элементом осевого упора является упорный шарикоподшипник 9 серии 8320 (100×170×55 мм), который через упор 10 пружиной 12 с усилием затяжки 2 кН прижимается к торцу оси колесной пары.
Одно кольцо шарикоподшипника 9 установлено на торцовой проточке оси, а второе — на упоре 10 с натягом 0,003 — 0,016 мм. Осевой упор удерживается в крышке 8 от выпадения при демонтаже стопорным кольцом 13.
Между фланцами передней и задней крышек и корпусом буксы прокладывается уплотнение 15 в виде шелкового шнура.
Таким образом, в поводковых буксах, в отличие от челюстных букс со скользящими осевыми упорами (см. рис. 76), применены упорные шарикоподшипники. Это позволило конструкторам исключить из буксового узла детали, работающие в условиях трения скольжения, увеличить срок службы и уменьшить габаритные размеры буксы, а также вместо двух видов смазки применить консистентную смазку марки ЖРО ТУ 32ЦТ-520—83.
Конструкции буксовых узлов крайних и средней осей колесных пар трехосной тележки тепловоза имеют различия. Для крайних колесных пар на крышке буксы наносится маркировка «КР» высотой 10 мм. В выточку крышки буксы крайних колесных пар вмонтирован амортизатор 11, который состоит из двух металлических пластин толщиной 2 мм и резинового элемента, привулканизированного между этими пластинами.
Для средних колесных пар, на крышке которых наносится маркировка «СР», резинометаллический амортизатор не применяется. Разбег крайних колесных пар тележки за счет сжатия резиновых элементов амортизаторов букс составляет 3 — 4 мм. Свободный разбег оси средней колесной пары значительно больше —28 мм (по 14 мм на сторону), что обусловлено отсутствием амортизаторов, толщина которых и составляет эту величину.
Консистентная смазка ЖРО в количестве 2,5 кг на буксу закладывается в роликовые подшипники, осевой упор передней крышки и лабиринтное уплотнение в задней крышке поводковой буксы. Дозаправка смазки ЖРО в буксовый узел тепловозов производится через отверстие с конической пробкой 16, расположенное в нижней части корпуса буксы.
Корпус 7 бесчелюстной буксы имеет приливы для установки пружин рессорного подвешивания в разных уровнях (см. рис. 77), что позволяет ему также выполнять роль балансира и способствует более равномерной передаче нагрузки на буксовые подшипники.
Поводки бесчелюстных букс. Поводок (рис. 78) состоит из стального литого корпуса с двумя головками, имеющими цилиндрические расточки. В головки поводка запрессовывают длинный и короткий амортизаторы с натягом 0,06 — 0,16 мм. Длинный амортизатор также собирают прессовым способом. Он состоит из валика 5, двух металлических 2 и резиновых 3 втулок, а также дистанционного полукольца 1. Короткий амортизатор имеет одну резинометаллическую втулку, состоящую из металлической 13 и резиновой 12 втулок.
Перед запрессовкой резиновые и металлические втулки смазывают смесью, состоящей из 30%-ного касторового масла и 70%-ного этилового спирта. Собранные амортизаторы выдерживают в течение 20 дней при температуре 15 — 30 °С без доступа света. Такая технология сборки амортизатора обеспечивает надежное сцепление его резиновых и металлических втулок.
Рис. 78. Поводок бесчелюстной буксы тепловозов:
1 —полукольцо; 2, 13 —металлические втулки; 3, 12 — резиновые втулки; 4 — штифт; 5 — рамный валик; 6 — полукольцо; 7 — корпус поводка; 8 —буксовый валик; 9 —шайба; 10 — резиновый элемент; 11 —кольцо
Степень радиального поджатия втулки (это отношение разности толщин втулки до и после запрессовки к толщине втулки в запрессованном состоянии) составляет 0,45 — 0,46 мм.
Валики 5 и 8 имеют хвостовики, выполненные в трапециевидной форме. С помощью этих хвостовиков валики вставляют в соответствующие пазы на раме тележки и корпусе буксы и закрепляют болтами М20×80 с моментом затяжки не менее 150 Н∙м.
На торцовых поверхностях поводка (с обеих сторон) установлены торцовые амортизаторы, каждый из которых состоит из двух шайб 9, 11 и резинового кольца 10. Резиновое кольцо 10 амортизатора выполнено из резины марки 2959 или 120С толщиной 16 мм, оно вулканизацией соединено с нижней шайбой (кольцом) 11. Для предотвращения проворачивания торцового амортизатора при вертикальных колебаниях экипажа в резинометаллической втулке установлены четыре штифта 4.
Основное назначение торцовых амортизаторов поводков буксового узла — улучшение горизонтальной динамики тепловоза при передаче через поводки тяговых или тормозных усилий на раму тележек.
Поводки устанавливают в буксовые узлы тепловоза при опущенном на тележки кузове. Поэтому в статическом состоянии (при остановке тепловоза) торцовые амортизаторы поводков не нагружены.
Таким образом, применение поводков с резинометаллическими элементами и торцовыми амортизаторами, а также наличие упругих осевых упоров в буксовом узле обеспечивает упругую связь между колесной парой и рамой тележки при действии динамических и статических сил в трех направлениях: продольном тяговые Fк и тормозные усилия Вт; поперечном — сила Y; вертикальном — сила веса (2П - q), что значительно улучшает динамику тепловоза в эксплуатации.
Обратите внимание на лекцию "Модально-неспецифические и модально-специфические расстройства внимания".
В целом, применение на тепловозах поводковых букс, по сравнению с челюстными буксами, обеспечило: более высокую надежность, увеличение срока службы, уменьшение основного сопротивления движению и, соответственно, снижение расхода топлива, сокращение затрат на техническое обслуживание и ремонт экипажной части тепловозов и др.
В конструкциях поводковых бесчелюстных букс значительно снижено трение в узле. При деформации буксовых пружин и резинометаллических шарниров в поводках корпуса буксы, неизбежных при движении локомотива по колее, имеется возможность упругого вертикального перемещения корпуса буксы на величину порядка ±20 мм и небольшого поперечного перемещения — около 1 — 2 мм.
Буксовый узел с поводками обычно также включает в себя фрикционный гаситель колебаний, устанавливаемый между корпусом буксы и рамой тележки. Силы трения гасителя создают сопротивление движению соединяемых частей и способствуют рассеиванию энергии колебаний, что улучшает динамические качества экипажа по сравнению с экипажем, имеющим челюстные буксовые узлы, О работе гасителей колебаний локомотивов мы поговорим в следующей статье.
Простота конструкции поводкового буксового узла, отсутствие трущихся деталей, удобство обслуживания и ремонта и более высокая надежность обусловили его широкое применение на локомотивах различного рода службы.
К недостаткам поводкового буксового узла следует отнести ненадежную работу резинометаллических элементов поводков в зимнее время, особенно при очень низких температурах окружающего воздуха.
Итак, нами рассмотрены узлы, обеспечивающие связь колесной пары с рамой тележки. Ранее были изложены особенности конструкции колесных пар локомотивов и условия их работы. В следующей статье будут рассмотрены конструкция и свойства рессорного подвешивания и устройства связи тележек с рамой кузова.
