Узел соединения головки беззазорного сцепного устройства с тяговым хомутом

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к сцепным устройствам подвижного состава, точнее к конструктивным элементам для соединения беззазорных сцепных устройств с тяговыми элементами автосцепок.
В настоящем описании признаки «вертикальный», «горизонтальный», «вдоль», «поперек», «продольный» используются применительно к сцепному устройству, находящемуся в рабочем положении, причем признак «передний» означает «расположенный ближе к сцепной головке или сопрягаемой сцепке», соответственно «задний» - «расположенный дальше».
Используемые в настоящем описании отдельные термины имеют следующее толкование:
- головка, или сцепная головка - сборочная единица сцепного устройства, состоящая из корпуса, механизма сцепления и хвостовика, который непосредственно или через промежуточные элементы соединяется с тяговым хомутом;
2
- клин - стержень, служащий для соединения хвостовика сцепной головки с концом тягового хомута. Он не имеет сходящихся поверхностей, то есть не является клином в общепринятом толковании, а называется так в силу исторической традиции. Термин «клин» описывает не конструктивное исполнение или форму изделия, а только его функциональное назначение. Стандартный, по ГОСТ 32885-2014, клин является прямоугольной пластиной со скругленными углами и постоянным по всей длине сечением 32×93 мм;
- ось сцепного устройства - ось симметрии хвостовика сцепной головки [см., например, ГОСТ 32885-2014, RU №149527, 149087];
- стандартный (клин, тяговый хомут) - отвечающий требованиям ГОСТ 32885-2014 «Автосцепка модели СА-3». В подавляющем большинстве стандартными являются сцепные устройства грузового парка вагонов.
Беззазорные сцепные устройства обладают рядом преимуществ перед автосцепными и широко внедряются в составах постоянного формирования, главным образом, в электропоездах. Они работоспособны при существенно больших скоростях, чем автосцепные.
Рост объемов грузоперевозок потребовал увеличения скоростей грузовых составов сверх тех, которые допускает автосцепка. Объемы производства новых вагонов, оснащенных беззазорными сцепными устройствами, не покрывают всей потребности в них. Это породило техническую проблему переоснащения уже эксплуатируемых вагонов беззазорными сцепными устройствами вместо автосцепных и следующую за ней проблему удешевления этого процесса.
Поскольку используемые в беззазорных сцепных устройствах тяговые хомуты и поглощающие аппараты не имеют особых преимуществ перед аналогичными элементами автосцепных устройств, то самым простым и выгодным решением проблемы модернизации сцепных устройств грузовых вагонов была бы простая замена автосцепных головок на беззазорные с оставлением традиционного тягового хомута и поглощающего аппарата от автосцепки.
При прохождении кривых сцепленные вагоны поворачиваются относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Кроме того, они смещаются по вертикали вследствие работы упругих элементов подвески вагона при движении. Поскольку собственно вагон является жесткой конструкцией, свободу указанных смещений должны обеспечивать сцепные устройства.
Беззазорные сцепные устройства с этой целью оснащаются специальным шарнирным узлом соединения сцепной головки с тяговым хомутом той или иной конструкции.
Известно беззазорное сцепное устройство, включающее сцепную головку с корпусом, содержащим механизмы сцепления, тяговый хомут с поглощающим аппаратом и центрирующее устройство в виде упругой центрирующей балочки, в котором узел соединения сцепной головки с тяговым хомутом состоит из хвостовика, имеющего на конце вертикальную цилиндрическую ступенчатую проушину с установленным в ней сферическим подшипником, изготовленным в условиях специализированного производства, вилки тягового хомута и цилиндрического валика, проходящего через сферический подшипник и вилку тягового хомута, [RU №149527 U1]. Сферический подшипник обеспечивает две степени свободы поворота сцепной головки, что полностью компенсирует неподвижность собственно сцепки.
Недостатком известного узла является его техническая сложность, высокая стоимость и нетехнологичность. Сферические подшипники крупных размеров дороги, требуют надежной защиты от влаги и грязи, а проушина хвостовика под их установку должна быть обработана с высокой степенью точности. Кроме того, модернизация уже эксплуатируемых сцепных устройств, посредством замены автосцепных головок на беззазорные при сохранении тягового хомута автосцепки потребует разработки и освоения производства клина тягового хомута особой конструкции.
Известно беззазорное сцепное устройство БСУ-3, включающее сцепную головку с корпусом, содержащим механизмы сцепления и соединенным болтами с хвостовиком, скрепленным с двухподвижным шаровым шарниром, тяговый хомут с поглощающим аппаратом и упругую центрирующую балочку, в котором узел соединения сцепной головки с тяговым хомутом выполнен в виде вертикальной проушины в корпусе шарнира, имеющей в горизонтальном сечении вид вытянутого в продольном направлении прямоугольника со скругленными короткими сторонами, вилки тягового хомута и клина, имеющего в поперечном сечении вид вытянутого прямоугольника со скругленными углами [http://www.xn--80adeukqag.xn--рlai/2016/05/3.html].
Снабженный проушиной шарнир может сопрягаться с тяговым хомутом от стандартной автосцепки, благодаря чему замена автосцепной головки на сцепную головку БСУ-3 не вызывает затруднений. Однако при этом степень свободы поворота в горизонтальной плоскости оказывается дублированной, поскольку треугольные проушины вилки стандартного тягового хомута наравне с шарниром допускают поворот сцепной головки на ±13,5°, а в хомутах отдельных исполнений и до ±25°. Более того, известное устройство имеет дублирующую степень свободы поворота и в вертикальной плоскости, поскольку допускает перекос проушины относительно клина из-за несовпадения их продольных размеров. Фактически, шаровой шарнир, будучи дорогим оригинальным элементом, требующим высокой точности изготовления, надежной защиты от влаги и пыли, является излишним, так как его функции продублированы зазорами в клиновом соединении. Модернизация сцепных устройств подвижного состава такой сцепной головкой оказывается затратным делом, а чувствительность шарнира к загрязнениям снижает его срок службы, требует постоянного надзора и обслуживания.
Известен также узел соединения сцепной головки с тяговым хомутом, включающий хвостовик с вертикальной проушиной, имеющей в горизонтальном сечении вид вытянутого в продольном направлении прямоугольника, у которого короткие стороны скруглены выпуклостью наружу, причем передняя стенка проушины выгнута внутрь, а задняя, меньшим радиусом, - кнаружи проушины. Радиусы кривизны обеих стенок не превышают 0,2 расстояния от передней кромки сцепной головки до центра проушины. Для обеспечения поворотов хвостовика в вертикальной плоскости, в проушину вставлен вкладыш, одна сторона которого находится в контакте с задней стенкой проушины и имеет одинаковый с ней радиус кривизны, а противоположная ей сторона - плоская. Соединение хвостовика с вилкой тягового хомута выполнено цилиндрическим валиком (шкворнем), проходящим между передней стенкой проушины и плоской стороной вкладыша [Тепловоз ТГМ6А. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. М: Транспорт, 1977, стр. 38, рис. 17]. Проушина описанной конструкции и цилиндрический валик образуют двухподвижную кинематическую пару, обеспечивающую свободу поворотов в двух плоскостях.
Главный недостаток известного узла в том, что он состоит из нестандартных элементов и редко встречается в грузовом парке. Он содержит дополнительную деталь - вкладыш, обработка под который поверхности задней стенки проушины сложна технологически. Еще одним недостатком является быстрый износ валика и проушины из-за ограниченной области контакта валика и передней стенки проушины. Кроме того, нижний плоский конец хвостовика и нижний рог вилки тягового хомута при поворотах хвостовика в вертикальной плоскости контактируют между собой лишь углами, что вызывает их быстрый взаимный износ.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является стандартный узел соединения сцепной головки с тяговым хомутом, включающий хвостовик с вертикальной проушиной, имеющей в горизонтальном сечении вид вытянутого в продольном направлении прямоугольника со скругленными короткими сторонами, вилку тягового хомута с проушинами в виде равнобедренного треугольника, обращенного вершиной к сцепной головке, и клин, имеющий в поперечном сечении вид вытянутого прямоугольника со скругленными углами, причем длина проушины хвостовика, измеренная вдоль его оси, в 1,5 раза превосходит ширину клина [ГОСТ 32885-2014].
В этом устройстве свобода поворотов в горизонтальной плоскости обеспечивается тем, что клин может поворачиваться на угол ±13,5° (или ±25°) в треугольных проушинах вилки тягового хомута, а свобода поворотов в вертикальной плоскости обеспечивается возможностью перекоса клина в длинной проушине хвостовика.
Недостаток известного узла с точки зрения его пригодности для использования в беззазорных сцепных устройствах состоит в ограниченном сроке службы, причем не только собственно узла, но и использующего его беззазорного сцепного устройства. При смещениях сцепной головки в вертикальной плоскости клин упирается своей скругленной гранью в угол проушины хвостовика, являющийся самым податливым местом проушины, причем всегда одним и тем же местом в одно и то же место. Это быстро приводит к локальному износу сопряженных деталей. Кроме того, из-за большого свободного продольного хода клина в длинной проушине хвостовика, ударные нагрузки на сцепку при рывках поезда очень велики, отчего беззазорная сцепная головка будет требовать более частого ремонта и обслуживания. Кроме того, нижний плоский конец хвостовика и нижний рог вилки тягового хомута при поворотах хвостовика в вертикальной плоскости контактируют между собой лишь углами, что вызывает стук и быстрый взаимный износ.
Задача, решаемая предложенной полезной моделью, состояла в разработке технически и технологически несложного и недорогого решения, позволяющего увеличить срок службы узла соединения сцепной головки со стандартным тяговым хомутом
Технический результат от использования предложенной полезной модели состоит в увеличении срока службы и снижении износа как узла соединения головки беззазорного сцепного устройства с тяговым хомутом, так и самой сцепной головки.
Указанный результат достигается тем, что в известном узле соединения сцепной головки беззазорного сцепного устройства, со стандартным тяговым хомутом, включающем хвостовик с вертикальной проушиной, имеющей в горизонтальном сечении вид вытянутого в продольном направлении прямоугольника со скругленными короткими сторонами, и стандартный клин, передняя и задняя стенки проушины выполнены выпуклыми внутрь проушины.
Кроме того, расстояние между указанными стенками, измеренное вдоль оси хвостовика, составляет (1,05…1,3) ширины стандартного клина тягового хомута.
Кроме того, нижняя часть хвостовика имеет выпуклость цилиндрической формы расположенную поперек хвостовика.
Благодаря тому, что передняя и задняя стенки проушины выполнены выпуклыми внутрь проушины повышается ресурс соединения беззазорной сцепной головки с автосцепным тяговым хомутом.
Благодаря тому, что расстояние между скругленными короткими сторонами проушины, измеренное вдоль оси сцепного устройства, составляет (1,04…1,3) ширины стандартного клина тягового хомута, повышается ресурс беззазорного сцепного устройства, что удешевляет модернизацию сцепных устройств подвижного состава.
Благодаря тому, что нижняя часть хвостовика имеет выпуклость цилиндрической формы, расположенную поперек хвостовика, повышается ресурс беззазорной сцепной головки и вилки автосцепного тягового хомута.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан вид сбоку на узел соединения сцепной головки беззазорного сцепного устройства с тягового хомута автосцепного устройства.
На фиг. 2 показан вид сверху на проушину хвостовика сцепки со вставленным в нее клином тягового хомута.
На фиг. 3 показаны возможные варианты выполнения скругленных сторон проушины.
+3 мм
Предложенный узел соединения беззазорного сцепного устройства (фиг. 1) включает хвостовик 1 с вертикальной проушиной 2, имеющей в сечении горизонтальной плоскостью вид вытянутого в продольном направлении прямоугольника со скругленными короткими сторонами (фиг. 2). Иными словами, проушина имеет две прямые продольные и параллельные стенки 3, параллельные оси сцепного устройства, и две соединяющие их узкие поперечные стенки 4, выполненные в виде галтелей с радиусом скругления R (фиг. 2). Стенки 4 выгнуты радиусом R1 внутрь проушины (фиг. 1), вследствие чего они имеют седловидную форму, напоминая выгнутые желобки, а проушина 2 в направлении оси сцепки сужается с верхней и нижней сторон к середине. Радиус R может быть меньше, равным или больше расстояния а между стенками 4 (фиг. 3). Оптимальным является вариант, когда R=а. Для стандартного клина тягового хомута должно быть R=18 мм и 2R=a.
Хвостовик 1 может быть выполнен как одно целое с корпусом 5 беззазорного сцепного устройства, содержащего сцепные устройства (на чертеже не показаны) или как отдельная деталь, соединенная с корпусом 5, например, болтами. Конец хвостовика 1 с проушиной 2 установлен между рогами 6 вилки стандартного тягового хомута 7. Проушины 8 в рогах 6 имеют в плане вид равнобедренного треугольника со скругленными углами, вершиной, обращенной к корпусу 5 (фиг. 2).
Хвостовик 1 соединен с вилкой тягового хомута 7 посредством стандартного клина 9 тягового хомута, в уровне техники называемого также клином автосцепки. Благодаря описанному исполнению хвостовика, беззазорная сцепная головка 5 может быть присоединена к тяговому хомуту 7 автосцепного устройства без каких-либо переделок или подгонки.
+3
+3
+4
Длина Т проушины 2, измеренная в наиболее узком месте проушины вдоль оси сцепного устройства (оси хвостовика), предпочтительно должна составлять (1,04…1,3) ширины t стандартного клина тягового хомута, которая равна 92 мм (фиг. 2). То есть, она лежит в пределах (96…120) мм. При Т<1,04t возможный угол поворота сцепной головки в вертикальной плоскости становится меньше требуемого исходя из максимальной разности высот и расстояния между клиньями сцепок смежных вагонов. При Т>1,3t, снижается срок службы, как узла соединения, так и беззазорных сцепных головок из-за больших ударных нагрузок при рывках поезда.
Наибольшее значение радиуса R1 равно величине расстояния L от переднего края корпуса 1 до середины проушины 3 (фиг. 1). Для известных отечественных беззазорных сцепок величина L лежит в пределах (600…700) мм. Если R1=L, то при предельных вертикальных углах отклонения хвостовика 1 линия контакта клина 9 с короткой стенкой 4 будет выходить на угол проушины 2, более податливый, чем ее средняя часть, что нежелательно. С другой стороны, чем меньше R1, тем короче участки поперечных стенок 4, обкатываемых клином 9, тем быстрее достигается предельное по износу состояние узла соединения. Опытным путем установлено, что оптимальное значение R1 должно лежать в пределах R1=(0,2…0,9)L.
Нижняя сторона хвостовика 1 в области проушины 2 может иметь небольшую выпуклость 10 цилиндрической формы, расположенную поперек хвостовика 2 симметрично относительно проушины. Радиус R2 кривизны выпуклости 10 приблизительно равен или превосходит удвоенную толщину хвостовика 1, высота h выпуклости установлена такой, чтобы хвостовик мог поворачиваться в вертикальной плоскости в пределах заданного параметрами сцепного устройства углового диапазона, не задевая рогов вилки 6 тягового хомута. Углы между стенками проушины 2 и горизонтальными поверхностями хвостовика 1 срезаны фасками или галтелями.
Сцепную головку поддерживает упругая, центрирующая балочка, на чертежах не показанная.
Предложенный узел соединения используется следующим образом.
У подлежащего модернизации вагона отсоединяют автосцепную головку, извлекая клин 9 тягового хомута 7. В вилку тягового хомута 7 вводят хвостовик 1 корпуса 5 беззазорной сцепной головки и, вновь вставляя клин 9 тягового хомута в проушины 2 и 8, соединяют его с вилкой. Выпуклость 10 хвостовика 1 опирают на нижний рог 6. Таким образом, получается сцепное устройство, состоящее из беззазорной сцепной головки и соединенного с нею стандартным клином стандартного (от автосцепного устройства) тягового хомута с поглощающим аппаратом. Никаких переделок или подгоночных работ такая модернизация не требует.
Отклонение беззазорной сцепной головки в горизонтальной плоскости обеспечивается благодаря треугольной форме проушин 8 в рогах 6 (фиг. 2, показаны пунктиром). Стандартные тяговые хомуты выпускаются в двух исполнениях: с углом при вершине равнобедренного треугольника проушин ±13,5° (вариант I), либо ±25° (вариант II). В зависимости от варианта используемого хомута, соответствующим будет и угол отклонения сцепной головки по горизонтали.
Отклонение сцепной головки по вертикали обеспечивается благодаря возможности перекоса хвостовика 1 относительно клина 9 и применению упругой центрирующей балочки. Перекос возможен из-за того, что длина Т проушины превосходит ширину t клина 9. Величина этого превосходства определяет максимально возможный угол отклонения сцепной головки по вертикали. Особенностью предложенной проушины является то, что ее длина Т существенно меньше, длины стандартной (по ГОСТ 32885-2014) проушины, которая составляет (1,45…1,5) ширины t стандартного клина. Она составляет (1,04…1,3)t. Это смягчает ударные нагрузки на беззазорную сцепку, менее массивную, чем автосцепка. Максимальный угол отклонения сцепной головки по вертикали при изменении t в указанном диапазоне составляет не менее 6°. Этого достаточно для всех возможных исполнений сцепного устройства.
При повороте хвостовика 1 и сцепной головки в вертикальной плоскости хвостовик своей выпуклостью 10 перекатывается по нижнему рогу 6, что устраняет локальный износ рога и хвостовика и устраняет удары в сочленении. Это повышает ресурс, как сочленения, так и сцепного устройства в целом.
В улучшенном исполнении скругленные стенки проушины выполнены выпуклыми внутрь проушины и при отклонениях сцепной головки от горизонтали линия контакта проходит по выпуклости, перемещаясь по ней при изменении угла отклонения. При этом она располагается дальше от углов проушины, где материал более стоек, не может течь преимущественно в одну сторону. Снижая износ проушины и клина это усовершенствование увеличивает безремонтный пробег сочленения не менее чем втрое.
Предложенный узел соединения, позволяя заменять автосцепные головки грузовых вагонов на беззазорные удешевляет и упрощает процесс замены. При этом выполнение передней и задней стенок проушины, равно как и нижней поверхности конца хвостовика выпуклыми, снижает износ проушины и клина, увеличивает безремонтный пробег узла не менее чем вдвое.