КОНСТРУКЦИЯ УЗЛА, ПЕРЕДАЮЩЕГО НАГРУЗКУ ОТ РАМЫ БОКОВОЙ НА ПОДШИПНИКИ КОЛЕСНЫХ ПАР, ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА С ОДИНАРНЫМ РЕССОРНЫМ ПОДВЕШИВАНИЕМ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается тележек грузовых вагонов с одинарным рессорным подвешиванием.
Создание грузовых вагонов повышенной грузоподъемности связано со специфическими требованиями к ходовым частям. Это, прежде всего обеспечение хороших динамических качеств экипажей при повышенных до 245 кН нагрузках от оси на рельсы. Воздействие на путь таких экипажей не должно превышать воздействий вагонов эксплуатационного парка на тележках модели 18-100. При этом, срок службы тележки должен равняться 32 годам, а первый плановый ремонт - не ранее 16 лет эксплуатации или после пробега 2 млн.км. Особые требования предъявляются к колесным парам - они должны служить не менее 32 лет, а срок эксплуатации по качеству монтажа подшипников кассетного типа - не менее 8 лет или 500 тысяч км. пробега.
Обеспечение долговечности подшипника, работающего в условиях динамического радиального и осевого нагружения, является весьма сложной задачей.
Общеизвестно, что долговечность подшипника, при прочих равных условиях, зависит от величин радиальных сил действующих на ролик в процессе вращения. Эти силы влияют на напряжения в металле, толщину смазочного слоя и величину давления в слое смазки в зонах контакта ролика с наружным и внутренним кольцом.
В качестве узла, передающего нагрузку от рамы на подшипники, в тележках грузовых вагонов применяются адаптеры. Адаптеры, используемые в тележках с одинарным рессорным подвешиванием, по своей конструкции можно условно отнести к двум группам.
К первой группе отнесены адаптеры с упругими элементами, установленными под углом к вертикали, как вдоль так и поперек буксового узла. Таким образом, они воспринимают нагрузку, действующую вдоль трех осей: вертикальной, продольной и поперечной. Такие адаптеры нашли применение в тележках моделей 18-1711, 18-9750 и тележках, использующих "идеи Шеффеля" [1]. Адаптер имеет крыше подобную двухскатную форму верхней части, и эта «крыша» образует опору для упругих элементов, на которые через стальную прокладку опирается буксовый проем боковой рамы. Основным недостатком такой конструкции является возможность возникновения контактов между элементами рамы и адаптера при продольных и поперечных перемещениях последних и, как следствие, их повышенный износ.
Ко второй группе отнесены адаптеры с, так называемыми, упругими прокладками, используемые в тележках 18-194-1, 18-4112, 26Б502, SF Motion control и др. [3-8]. Упругие прокладки для восприятия вертикальных нагрузок имеют достаточно большую плоскую пластину с жесткостью в вертикальной плоскости от 20 до 50 МН/м и соединенные с нею различной формы элементы, воспринимающие поперечные и продольные усилия, возникающие в горизонтальной плоскости буксового узла[2].
Известны различные конструкции адаптеров тележек грузовых вагонов (патенты: US 5,404,826, US 5,799,582, CA 2490924 A1, US 5,562,045, RU 111085, RU 2082638 C1, UA 82123, UA 93655 и др.), в конструкции которых применяются те или иные конструкции узла второй группы, передающего нагрузку от рамы тележки на подшипники колесных пар.
Ближайшим аналогом полезной модели является «Узел опоры боковой рамы на колесную пару тележки грузового вагона» (патент RU 96085 U1). Узел опоры боковой рамы на колесные пары тележки (адаптер) представляет собой монолитную отливку прямоугольной формы, включающую горизонтальную прямоугольную секцию с плоской опорной поверхностью в верхней зоне и дугообразным вырезом в нижней зоне для установки на внешнее кольцо кассетного подшипника колесной пары. По краям граней расположены упорные кронштейны, направленные вниз и образующие между собой боковые вырезы. Адаптер имеет упругую прокладку, представляющую собой горизонтальную секцию прямоугольной формы контактирующую с плоской опорной поверхностью адаптера, с направленными вниз плечами, которые выступают по краям боковых граней прокладки и образуют между собой вырезы, входящие в боковые вырезы адаптера. Упругая прокладка в нижней части горизонтальной секции имеет выступ, проходящий вдоль поперечной оси прокладки и имеющий трапецеидальное сечение. На торцевых поверхностях горизонтальной секции и на внутренних боковых поверхностях плечей упругой прокладки расположены выступы, проходящие вертикально и имеющие прямоугольное сечение. Выступы выполнены с фасками в верхней своей части.
Недостатком этой конструкции является то, что при прохождении тележкой кривых участков железнодорожного пути резко возрастает усилие на межосевые связи боковых рам.
Известна конструкция тележки железнодорожного вагона (патент RU 2304539 C2). Особенность этой конструкции заключается в том, что каждая из боковин имеет буксовое отверстие на каждом конце для приема узла подшипникового переходника. Узел подшипникового переходника содержит подшипниковый переходник, который плотно посажен сверху на подшипниковый узел. Подушка переходника изготовлена из эластомера с заданной твердостью и плотно установлена сверху на подшипниковый переходник. Стойки подушки переходника входят в прямоугольные отверстия подшипникового переходника. Выступы подушки переходника входят в выемки в подшипниковом переходнике. Этой конструкции присущи те же недостатки, что и для предыдущей конструкции (патент RU 96085 U1), они не обеспечивают надежную работу буксового узла. Задачей полезной модели является повышение надежности конструкция узла (адаптера), передающего нагрузку от рамы боковой на подшипники колесных пар тележки с одинарным рессорным подвешиванием грузового вагона за счет уточнения размерных цепей конгруэнтных поверхностей элементов наружных и внутренних челюстей буксовых проемов рам боковых, упругих прокладок и металлической части адаптеров, а также создание надежно работающих токопроводящих мостиков между рамой боковой и корпусом кассетного подшипника.
Конструкция узла (Фиг.1), передающего нагрузку от рамы боковой (1) на подшипники (2) колесных пар тележки грузового вагона с одинарным рессорным подвешиванием состоит из двух элементов: металлического, прямоугольной с вырезами (3) формы в плане, адаптера (4) и упругой, изготовленной из эластомера, прокладки (5) сложной геометрической формы. Опорная на кассетный подшипник поверхность адаптера (4) представляет собой равноудаленные от середины подшипника сегменты (6) цилиндрической поверхности (Фиг.2 и 3), обеспечивающие переходные посадки в системе отверстия [9]. На наружных кромках (7) адаптера по всей длине размещаются направленные вниз бурты (8), ограничивающие перемещения адаптера относительно образующей цилиндрической поверхности кассетного подшипника (2). Сегменты (6) цилиндрической поверхности адаптеров конгруэнтны проекции роликов подшипника на внешнее кольцо кассетного подшипника. Вырезы (3) в теле адаптера (4), равноудалены от продольной оси колесной пары. Ширина (А) и глубина (В) вырезов (Фиг.4) больше, соответственно, ширины (а) и величины выступающей части (в) упоров наружных (9) и внутренних (10) челюстей буксовых проемов боковой рамы (1). Верхнюю часть адаптера образует прямоугольный горизонтально расположенный сегмент (11), вдоль длинной кромки ограниченный углублениями (12), прямоугольными со скругленными углами в поперечном сечении, наружная сторона которых выполняет функции промежуточных опор (13). Вдоль коротких кромок прямоугольный горизонтально расположенный сегмент (11) ограничен равноудаленными от середины углублениями (14), наружная грань (15) которых ориентирована под острым углом, а внутренняя (16) - под тупым углом к опорной поверхности сегмента. Центральная часть адаптера (4) в районе вырезов (3) ограничена равноудаленными от середины L-образными в поперечном сечении поверхностями (17), предназначенными для восприятия продольных нагрузок через конгруэнтные поверхности упругой прокладки. Углубления (12 и 14), ограничивающие прямоугольный горизонтально расположенный сегмент (11) адаптера (4), предназначены для размещения конгруэнтных элементов (22 и 23) упругой прокладки (5) с целью надежной фиксации ее как в продольном, так и в поперечном направлении (Фиг.5). Боковые кромки (18) адаптера (4), в центральной части, образованы равноудаленными от продольной оси выступающими вверх краевыми опорами (19), переходящими в заплечики (20), идущими по направлению вниз от противоположных продольных концов адаптера (4). Заплечики (20) равноудалены друг от друга и образуют вырезы, в которых размещены упоры внутренних (10) и наружных (9) челюстей буксовых проемов боковой рамы (1) и конгруэнтные элементы (26) упругой прокладки (5). Упругая прокладка (5) в своей центральной части имеет прямоугольный сегмент (21), которым она опирается на прямоугольный горизонтально расположенный сегмент (11) адаптера (4), и воспринимает нагрузку от рамы боковой (1). Прямоугольный сегмент (21) упругой прокладки (5) вдоль длинной грани снизу имеет (Фиг.7) равноудаленные от середины L-образные утолщения (22), которые располагаясь в конгруэнтных углублениях (12) адаптера (4), создают упругое сопротивление боковым перемещениям рамы (1). Вдоль коротких граней сегмента (21) образованы V-образные выступы (23), которые размещаясь в соответствующих конгруэнтных углублениях (14) адаптера (4), препятствуют перемещению упругой прокладки (5) вдоль продольной оси вагона. Верхняя грань (24) прямоугольного сегмента (21) по короткой стороне имеет отгибы (25) вниз, которые взаимодействуя с упорами внутренних (10) или наружных (9) челюстей буксового проема, создают упругое сопротивление перемещению рамы боковой (1) вдоль продольной оси вагона. L-образные утолщения (22) длинных граней прямоугольного сегмента (21) имеют продолжения в виде сегментов (26) треугольной формы увеличенной толщины, равноудаленных от обеих осей симметрии упругой прокладки (5), направленных вдоль и вниз. Сегменты (26) треугольной формы упругой прокладки (5) располагаются между внутренними гранями заплечиков (20) адаптера (4) и боковыми гранями упоров внутренних (10) и наружных (9) челюстей буксовых проемов рамы боковой (1) и создают упругое сопротивление перемещению рамы боковой (1) вдоль оси колесной пары, а также, так называемому, «забеганию» рам боковых одна относительно другой при прохождении вагоном кривых участков железнодорожного пути, т.е. препятствуют потере прямоугольной формы тележки в плане. Отгибы вниз (25) прямоугольного сегмента (24) упругой прокладки (5), а также внутренние и наружные грани треугольных сегментов (26) оснащены (Фиг.6) горизонтально расположенными поясами (27) прямоугольной с радиусным переходом (29) на основное тело формы в поперечном сечении (Фиг.7). Ширина поясов h (27) определяется исходя из допусков на размеры между внутренними гранями заплечиков (20) адаптера (4), толщины треугольных сегментов (26) упругой прокладки (5) и ширины упоров наружных (9) и внутренних (10) челюстей буксовых проемов рамы боковой (1) таким образом, чтобы обеспечивалась посадка с натягом [9] при неблагоприятном их сочетании. Высота t боковых граней поясов (27) соизмерима с величиной радиуса перехода (29) боковых граней к основному сечению упругой прокладки.
Применяемые для изготовления упругих прокладок (5) уретановые эластомеры обладают высокими диэлектрическими свойствами. Для обеспечения надежной электропроводности через упругую прокладку, в ее тело вставляется упругий проводник (28) предпочтительно C-образной формы. Такая форма проводника обеспечивает постоянный контакт между опорной поверхностью буксового проема рамы боковой (1) и прямоугольным горизонтально расположенным сегментом (11), образующим верхнюю часть адаптера(4).
Известно [10], что работоспособность эластомерных конструкций определяется режимом нагружения, условиями теплоотвода, механическими свойствами материала и активностью внешней среды. Деформируемый эластомерный элемент (в нашем случае упругая прокладка) считается термодинамической системой, в которой изменение полной диссипации энергии при циклическом нагружении может быть представлено в виде двух составляющих: доли энергии, выделяемой в виде тепла, и части энергии, расходуемой на перестройку внутренней структуры материала и последующего усталостного разрушения.
Таким образом, описанная конструкция узла, передающего нагрузку от рамы боковой на подшипники колесных пар тележки грузового вагона с одинарным рессорным подвешиванием, обеспечивает надежную работу всего узла потому, что обеспечивается хороший теплоотвод от деформируемых элементов упругой прокладки, а их геометрические размеры обеспечивают соизмеримую с основными несущими деталями тележки усталостную прочность. Кроме того, даже при нештатных видах нагрузок исключается прямое соприкосновение металлических частей узла, что обеспечивает заданную долговечность узла. Обеспечивается также постоянный электрический контакт между рамой тележки и колесной парой за счет введения упругого электропроводящего элемента в тело упругой прокладки. Применение для изготовления упругой прокладки уретановых эластомеров в сочетании с заданными площадями и толщинами конгруэнтных элементов узла обеспечивает оптимальные значения жесткостей и перемещений в узле. Этим достигается хорошее качество хода груженого и порожнего вагона, а также щадящее воздействие вагона повышенной грузоподъемности на верхнее строение железнодорожного пути.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 показана конструкция узла, передающего нагрузку от рамы боковой на подшипники колесных пар тележки грузового вагона с одинарным рессорным подвешиванием (в изометрии);
на Фиг.2 показан вид снизу на адаптер (в изометрии);
на Фиг.3 показано поперечное сечение адаптера;
на Фиг.4 показан вид на адаптер сверху (в изометрии);
на Фиг.5 показан вид на упругую прокладку снизу (в изометрии);
на Фиг.6 показан вид на упругую прокладку сверху (в изометрии);
на Фиг.7 показан поперечный разрез упругой прокладки.
Источники информации:
1. Радзиховский А.А., Назаренко К.В. О влиянии конструкции адаптера на долговечность кассетных подшипников. Вагонный парк.№9-10/2009. Стр.12-14.
2. Л.А.Шадур., И.И.Челноков, Л.Н.Никольский, Е.Н.Никольский и др. Вагоны. «Транспорт», 1965, стр.147-148, рис.100.
3. Железнодорожная тележка. ФГУП «ПО Уралвагонзавод». Патент RU 42992 U1.
4. Тележка грузового вагона. ОАО «Алтайвагон». Патент RU 2224673 C2.
5. Тележка железнодорожного вагона. ГУП «ПО Уралвагонзавод». Патент RU 2200681 C2.
6. Железнодорожная грузовая тележка для повышенных скоростей движения. ФГУП «ЦКБ ТМ». Патент RU 39558 U1.
7. Тележка двухосная для грузовых железнодорожных вагонов колеи 1520 мм. ГУП «УО ВНИИЖТ». Патент RU 42991 U1.
8. Двухосная тележка грузового вагона. ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA). Патент RU 2246416 C2.
9. В.И.Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. Том 1. М., «Машиностроение», 1980. Стр.283-288.
10. Е.Е.Рихтер, И.Я.Березин. Энергетический критерий разрушения для оценки усталостной прочности конструкций с эластомерами. Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2009. - Вып.13., - №11. - С.73-78.