АДАПТИВНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
ADAPTIVE MODULAR BEARING ASSEMBLY

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к ходовым частям подвижного состава железнодорожного транспорта, в частности к модульному подшипниковому узлу адаптированного к условиям эксплуатации при воздействии знакопеременных радиальных и осевых сил, конструкция и позволяет повысить надежность, конструкции и эффективность использования мощности тягового подвижного состава и парка грузовых вагонов железнодорожного транспорта.
«Уровень техники»
Известна конструкция подшипникового узла вагонов железнодорожного транспорта [1; 2; 3], содержащая двухрядный радиально-упорный подшипник с коническими роликами, состоящего из внутреннего дистанционного кольца (разделителя) и закрепленных прессовым соединением на шейке оси колесной пары внутренних колец с одновременным их закреплением в горизонтальной плоскости болтовым соединением между упорной поверхности передней крышки (крепежного колпака) и заднего упорного кольца, а наружное кольцо подшипникового узла в радиальной и осевой плоскостях фиксируется на конических роликах, у которого с торцевых сторон выполнены цилиндрические проточки для монтажа уплотнений, обеспечивающих сопряжение уплотняющих контактных поверхностей с подвижными элементами подшипника.
Соединение колесной пары, оснащенной двухрядными радиально-упорными коническими подшипниковыми узлами, с рамой тележки вагона осуществляется с применением адаптеров, в которых выполнены посадочные радиальные опорные поверхности и осевые упорные поверхности для наружного кольца конического двухрядного подшипника.
Недостатком известного роликового подшипникового узла, конструкция которого разработана на основе применение радиально-упорного конического двухрядного подшипника, является образование при движении вагона постоянно действующих сил трения скольжения между торцами конических тел качения и торцевой поверхностью бортов внутренних колец, величина которых значительно возрастает при извилистом движении вагона, при проследовании вагона через стрелочные переводы и при движении вагона в кривых участках рельсового пути, что приводит при интенсивном износе поверхностей трения скольжения к нагреву подшипникового узла, к заклиниванию конических роликов, к разрушению конструкции и как следствие этому приводит к неоправданным затратам на потребление энергоресурсов подвижным составом на преодоление сил сопротивления движению.
Другими недостатками конструкции роликового подшипникового узла являются высокая стоимость двухрядного конического подшипника, обусловленная повышенными требованиями к точности изготовления сопрягаемых поверхностей качения с целью достижения равномерного распределения нагрузки между рядами тел качения двухрядного подшипника и ограничения технических возможностей для выполнения разборки, сборки, контроля и диагностики технического состояния элементов конструкции, что приводит к неоправданным затратам времени и финансовых затрат при массовом техническом обслуживание.
Известна конструкция ресурсосберегающей буксы для ходовых частей подвижного состава железнодорожного транспорта [4], принятая ближайшим аналогом по достигаемому техническому результату, содержащая два радиальных подшипника с короткими цилиндрическими роликами закрепленные внутренними кольцами на шейки оси колесной пары болтами между вертикальными поверхностями торцевой шайбы и упорного кольца и имеющие без бортовые кольца, а так же два упорных подшипника, закрепленные внутренними кольцами на посадочных поверхностях торцевой шайбы и упорного кольца. Корпус буксы закреплен на шейке оси колесной пары одновременно через тела качения радиальных и упорных подшипников, наружные кольца которых внутри корпуса закреплены передней и задней крепительными крышками с профильным способом их закрепления на торцах корпуса буксы.
Недостатком известной ресурсосберегающей буксы является наличие в конструкции корпуса буксы и крепительных крышек для закрепления наружных колец радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами и свободных колец упорных подшипников, чем обуславливаются технические ограничения для повышения унификации конструкции буксы, снижения ее массы и затрат на изготовление.
Известна конструкция радиально-упорного подшипника с коническими роликами имеющего на торцевой поверхности наружного кольца упорного борта [5; 6; 7], что расширяет технические возможности для соосного крепления подшипников в корпусе машин и механизмах, конструкция которых исключает возможность недопустимого перекоса вала или оси вращения относительно оси корпуса.
Недостатком известного радиально-упорного подшипника с коническими роликами и с выполненным упорным бортом на наружном кольце являются ограничения для применения в конструкции опорного подшипникового узла колесной пары подвижного состава железнодорожного транспорта, при движении которого образуются знакопеременные комбинированные нагрузки, вызывающие перекос наружных колец конического подшипника относительно оси колесной пары, при образовании которого происходит нагрев подшипников, заклинивание конических роликов и разрушение подшипникового узла.
Известен комбинированный подшипник качения [8], предназначенный для восприятия радиальных и действующих в двухсторонних направлениях осевых сил, в конструкции которого базовым элементом является неподвижное наружное кольцо радиального подшипника с игольчатыми роликами, на торцевых поверхностях которого выполнены дорожки качения для коротких цилиндрических роликов двух упорных подшипников. У подвижного внутреннего кольца радиального подшипника и у подвижных наружных колец упорных подшипников выполнены отверстия для соединения с валом или осью вращения механизма.
Наряду с достоинством конструкции и эффективностью применения комбинированных подшипников качения при обеспечении стабильной работы, для изготовления требуется применения высокопрочной стали, дорогостоящих технологий и высокоточного технологического оборудования, что при массовом производстве подшипниковых узлов для железнодорожного подвижного состава, потребует больших финансовых затрат.
Известна конструкция адаптера [9; 10] для фиксирования колесной пары в П-образных буксовых проемах боковых рам тележки грузового вагона, свободно устанавливаемого в вертикальной плоскости цилиндрической опорной поверхностью на наружное кольцо подшипникового узла, выполненного из радиально-упорного конического двухрядного подшипника. На торцах опорной цилиндрической поверхностности корпуса адаптера выполнены упорные поверхности (борта) для закрепления адаптера и соответственно кузова вагона на торцах наружного кольца подшипникового узла с возможностью передачи знакопеременной осевой нагрузки на колесные пары, образующейся при движении вагона через стрелочные переводы, в кривых участках пути и при извилистом движении. Для повышения технологичности установки и снятия адаптера с наружного кольца подшипникового узла в центральной части и в зоне сопряжения с упорными поверхностями (бортов) на цилиндрической опорной поверхности адаптера выполнены технологические проточки.
Недостатком известной конструкции адаптера является отсутствие в конструкции предохранительного элемента для повышения надежности осевого закрепления адаптера на наружном кольце радиально-упорного конического двухрядного подшипника, что не отвечает требованиям безопасности движения на железнодорожном транспорте и в случае разрушения под действием динамических осевых сил упорных поверхностей (бортов) произойдет сход вагона с рельс.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание герметичной, надежной, технологичной для изготовления, сборки, разборки, и ремонта конструкции модульного подшипникового узла, адаптированного для применения в подвижном составе железнодорожного транспорта, расширяющего технические возможности распределения образующихся знакопеременных осевых сил на упорные шариковые подшипники и радиальных сил на подшипники с короткими цилиндрическими роликами.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложен адаптивный модульный подшипниковый узел, содержащий опорный, кинематический и фиксирующий модули.
Опорный модуль представляет собой быстроразъемную герметичную оболочку адаптивного модульного подшипникового узла, выполненного из наружных колец подшипников с короткими цилиндрическими роликами, имеющих на торцах наружной поверхности упорные борта с профильными прорезями и из свободных колец упорных подшипников, выполненные в форме ступицы, имеющие на торцевой части наружной радиальной поверхности упорный борт с профильными прорезями, что расширяет технические возможности для надежного и прочного их соединения между собой быстроразъемным профильным присоединением крепительных и стопорных колец, у которых так же выполнены на торцевой поверхности аналогичные профильные прорези, обеспечивающих надежность закрепления опорного модуля на телах качения подшипников.
Кинематический модуль адаптивного модульного подшипникового узла для возможности воспринимать радиальные силы, выполнен из внутренних колец подшипников с упорными бортами и укомплектованные сепараторами с короткими цилиндрическими роликами закрепляемые на шейке оси колесной пары, между внутренними упорными поверхностями торцевой шайбы, закрепленной на торце шейки болтовым соединением и заднего упорного кольца, закрепленного на предподступичной части оси колесной пары, и для возможности воспринимать знакопеременные осевые силы выполнен из тугих колец с телами качения двух упорных подшипников, закрепленных вертикально, перпендикулярно к оси колесной пары на выполненных посадочных радиальных поверхностях торцевой шайбы и заднего упорного кольца.
К фиксирующему модулю относится конструкция адаптера, на внутренней радиальной поверхности которого выполнены боковые проточки, образующие торцевые упорные борта с возможностью контактного сопряжения с наружными торцевыми поверхностями крепительных колец быстроразъемного профильного соединения свободных колец упорных подшипников и наружных колец радиальных подшипников с возможностью передачи на упорные подшипники знакопеременных осевых сил, и выполнена центральная проточка с возможностью размещения с зазорами во внутренней полости адаптера в соединении центрального крепительного и центрального стопорного колец быстроразъемного профильного соединения наружных колец радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами, чем образуется дополнительная предохранительная упорная поверхность от осевого смещения кузова вагона относительно адаптивного модульного подшипника в случае излома одного или обеих торцевых упорных бортов адаптера, что расширяет технические условия для повышения надежности фиксирования колесной пары с адаптивными модульными подшипниковыми узлами в П-образных буксовых проемах боковых рам тележки грузового вагона, а на образующиеся между радиальными проточками опорные поверхности адаптер для передачи радиальных сил на подшипники с короткими цилиндрическими роликами свободно опирается на наружные их кольца.
В результате осуществления изобретения расширяются технические возможности для повышения жесткости, прочности и надежности конструкции подшипникового узла подвижного состава, повышение безопасности движения поездов, с возможность стабильности работы подшипникового узла и уменьшения сил сопротивления движению железнодорожных транспортных средств.
«Краткое описание чертежей»
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены:
Фиг. 1 - конструкция адаптивного модульного подшипникового узла;
Фиг. 2 - конструкции опорного, кинематического, и фиксирующего модулей адаптивного модульного подшипникового узла;
Фиг. 3 - разъемные элементы конструкции опорного модуля адаптивного модульного подшипникового узла;
Фиг. 4 Общий вид соединения фиксирующего модуля (адаптера) с сопрягаемыми поверхностями элементов опорного модуля адаптивного модульного подшипникового узла;
Фиг. 5 - вид А на Фиг. 3 торцевое крепительное кольцо для наружных колец упорного и радиального подшипников;
Фиг. 6 - вид Б на Фиг. 3 свободное кольцо упорного подшипника;
Фиг. 7 - вид В на Фиг. 3 конструкция стопорных колец профильного соединения элементов опорного модуля подшипникового узла;
Фиг. 8 - вид Г на Фиг. 3 конструкция наружного кольца подшипника с короткими цилиндрическими роликами;
Фиг. 9 - вид Д на Фиг. 3 центральное крепительное кольцо для наружных колец радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами.
«Осуществление изобретения»
Адаптивный модульный подшипниковый узел представляет собой опору качения для ходовых частей вагона, модульное исполнение которого направлено на повышение унификации, долговечности конструкции, технологичности сборки, разборки элементов подшипников и надежности монтажа на шейке 2, являющейся выносной частью оси колесной пары 1 вагона.
Конструкция кинематического модуля подшипникового узла выполнена из двух бортовых внутренних колец 7 однорядных радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами 9, установленные в ячейки сепараторов 8, которые в осевой плоскости закреплены на шейке оси 2 между внутренними упорными поверхностями торцевой шайбы 18, закрепленной на торце шейки оси 2 болтами 19 со стопорной шайбой 20 и заднего упорного кольца 3, закрепленного на предподступичной части 2 оси 1 колесной пары, на наружной радиальной поверхности которых выполнены специальной формы посадочные поверхности для закрепления вертикально, перпендикулярно оси колесной пары тугих колец 6 с телами качения 5 упорных подшипников.
Опорный модуль подшипникового узла выполнен из установленного соединения между собой сводных колец 4 упорных подшипников и наружных колец 10 подшипников с короткими цилиндрическими роликами, который внутренними поверхностями в радиальной плоскости опирается на короткие цилиндрические ролики 9 радиальных подшипников и в осевой плоскости опирается на тела качения 5 упорных подшипников и имеет быстро разъемное профильное соединение между собой наружных колец 10 радиальных подшипников центральным крепительным кольцом 11 и центральным стопорным кольцом 12 и быстро разъемное профильное соединением наружных колец 10 радиальных подшипников со свободными кольцами 4 упорных подшипников торцевыми крепительными кольцами 14 и торцевыми стопорными кольцами 13. Для достижения герметичности соединения элементов опорного модуля на торцах свободных колец 4 упорных подшипников и наружных кольцах 10 радиальных подшипников выполнены проточки для размещения уплотнительных колец 15 и предусмотрены торцевые защитные шайбы 17 для смежных поверхностей неподвижных свободных колец 4 упорных подшипников и вращающихся поверхностей торцевой шайбы 18 и заднего упорного кольца 3.
В адаптере 16, выполняющего функцию фиксирующего модуля колесной пары с адаптивными модульными подшипниками узлами в П-образных буксовых проемах боковых рам тележки вагона, на внутренней радиальной поверхности с возможностью распределять знакопеременные осевые нагрузки Fa на упорные подшипники, и радиальные нагрузки Fr на радиальные подшипники с короткими цилиндрическими роликами выполнены боковые проточки 21, образующие торцевые упорные борта адаптера 16 с возможностью сопряжения контактных поверхностей 24 с торцевыми наружными поверхностями торцевых крепительных колец 14 и их размещение в соединении с торцевыми стопорными кольцами 13 во внутренней полости боковых проточек 21 с радиальным и осевым зазорами 5 и выполнена центральная проточка 22 с возможностью размещения с радиальным и осевым зазорами δ во внутренней полости центрального крепительного кольца 11 в соединении с центральным стопорным кольцом 12, которые наряду с возможностью профильного соединения наружных колец 10 радиальных подшипников образуют дополнительно предохранительную осевую упорную поверхность от осевого смещения адаптера 16 относительно адаптивного модульного подшипникового узла в случае излома одного или обоих его торцевых упорных бортов. На наружные кольца 10 радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами адаптер 16 опирается радиальными контактными поверхностями 23, образуемые между боковыми проточками 21 и центральной проточкой 22.
Модульное исполнение конструкции адаптивного модульного подшипникового узла расширяет технические возможности для выполнения сборки и разборки конструкции на отдельные модули и подетально.
Сборка кинематического модуля на шейке оси 2 колесной пары осуществляется в соответствии с разработанной системы соединения элементов конструкции. На предподступичной части 1 оси колесной пары устанавливают заднее упорное кольцо 3 с закрепленным на радиальной посадочной его поверхности тугого кольца 6 с телами качения 5 заднего упорного подшипника, заднюю торцевую защитную шайбу 17 и свободное кольцо 4 упорного подшипника с установленным на его наружной поверхности заднего торцевого крепительного кольца 14. На шейке 2 оси колесной пары устанавливают двух бортовые внутренние кольца 7 однорядных радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами 9 с установленными в ячейки сепараторов 8 с последующим их закреплением торцевой шайбой 18 к торцу шейки оси 2 болтами 19 и стопорной шайбой 20. На радиальной посадочной поверхности торцевой шайбой 18 устанавливают тугое кольцо 6 с телами качения 5 переднего упорного подшипника и переднюю торцевую защитную шайбу 17.
Монтаж опорного модуля на кинематическом модуле производится после комбинированного закрепления между собой свободных колец 4 упорных и наружных колец 10 радиальных подшипников, имеющих на наружной радиальной поверхности упорные борта с профильными прорезями для быстро разъемного профильного соединения торцевыми крепительными кольцами 14 и центральным крепительным кольцом 11 с выполненными на внутренней радиальной поверхности кольцевыми проточками и на торцевой их поверхности профильных пазов, образующие внутренние упоры для осевого и радиального закрепления между собой упорных бортов наружных колец системы подшипников качения с возможностью фиксирования профильного их соединения торцевыми стопорными кольцами 13 и центральным стопорным кольцом 12, с выполненными на торце профильными прорезями, образующие шлицевые упоры, форма, размеры и количество которых соответствует форме, размерами и количеству профильных прорезей, выполненных на крепительных кольцах 11, 14, на упорных бортах наружных колец 10 радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами и на упорных бортах свободных колец 4 упорных подшипников.
Сборка и разборка опорного модуля адаптивного модульного подшипникового узла производится в соответствии разработанной последовательности жесткого закрепления между собой свободных колец упорных подшипников и наружных колец радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами. Перед закреплением между собой переднего свободного кольца 4 упорного подшипника и переднего наружного кольца 10 радиального подшипника в одну из проточек, выполненных на торцевых их поверхностях, устанавливают уплотнительное кольцо 15 и через профильные прорези на упорном борте переднего наружного кольца 10 радиального подшипника устанавливают переднее торцевое стопорное кольцо 13 ориентированное шлицевыми упорами на наружную сторону подшипникового узла и после соединения смежных торцевых поверхностей свободного кольца 4 переднего упорного подшипника и наружного кольца 10 переднего радиального подшипников через профильные прорези на их упорных бортах устанавливают переднее торцевое крепительное кольцо 14, при повороте которого относительно закрепляемых колец 4 и 10 подшипников на угол, равный углу расположения профильных прорезей на упорных бортах осуществляется их закрепление в радиальной и осевой плоскостях с последующим фиксированием положения шлицевыми упорами переднего торцевого стопорного кольца 13. Для закрепления между собой наружных колец 10 переднего и заднего радиальных подшипников предварительно на первое через профильные прорези на упорном борте устанавливают центральное стопорное кольцо 12, ориентированное шлицевыми упорами на внутреннюю сторону подшипникового узла, а на второе через профильных прорезей на его упорном борте устанавливают центральное крепительное кольцо 11, ориентированное меньшей толщиной торцевой поверхности на внешнюю сторону подшипникового узла и после закрепления в одной из проточек на торцевых поверхностях наружных колец 10 радиальных подшипников центрального уплотнительного кольца 15 через профильные прорези упорных бортов устанавливают центральное крепительное кольцо 11, при повороте которого относительно закрепляемых наружных колец 10 радиальных подшипников на угол, равный углу расположения профильных прорезей на упорных бортах осуществляется их закрепление в радиальной и осевой плоскостях с последующим фиксированием положения шлицевыми упорами центрального стопорного кольца 12. Далее на собранную съемную конструкцию опорного модуля через профильные прорези на упорном борте наружного кольца 10 заднего радиального подшипника устанавливают заднее торцевое стопорное кольцо 13, ориентированное шлицевыми упорами на внутреннюю сторону подшипникового узла, устанавливают в проточке уплотнительное кольцо 15 и производят монтаж съемной конструкции опорного модуля на кинематический модуль подшипникового узла с последующим закреплением в радиальной и осевой плоскостях между собой заднего свободного кольца 4 упорного подшипника и заднего наружного кольца 10 радиального подшипника задним торцевым крепительным кольцом 14 с последующим фиксированием их положения шлицевыми упорами заднего торцевого стопорного кольца 13. В завершающей операции монтажа адаптивного модульного подшипникового узла на шейке оси 2 колесной пары вагона производится установка адаптера 16 на поверхности опорного модуля с сопряжением осевых контактных поверхностей 24 торцевых крепительных колец 14 и радиальных опорных поверхностей 23 наружных колец 10 радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами, что расширяет технические возможностью без резьбового закрепления во внутренней полости боковых проточек 21 торцевых стопорных колец 13 и во внутренней полости центральной проточки 22 центрального стопорного кольца 12.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения:
1 Патент RU №2471094 С1, 27.12.2012.
2 ГОСТ 32769-2014 Узлы подшипниковые конические букс железнодорожного подвижного состава: Технические условия. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2015 - 26 с.
1
3 Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колесных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм. - РД ВНИИЖТ 27.05.01-2017- 242 с., рис. 9.6, с. 42, рис. 9.10, с. 47, рис. 9.13, с. 51.
4 Патент RU №2677213 С1, 15.01.2019.
5 ГОСТ 27365-87 Подшипники роликовые конические однорядные повышенной грузоподъемности: Основные размеры.- М.: Издательство стандартов, 1987 - 24 с, черт. 2, с. 17.
6 ГОСТ 3395 Подшипники качения: Типы и конструктивные исполнения- М.: Издательство стандартов, 1990 - 54 с., с. 45.
7 ГОСТ 520-2011 Подшипники качения: Общие технические условия. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2012- 65 с., рис. 2, с. 8.
8 ГОСТ 26290-90 Подшипники радиальные и упорные двойные роликовые: Технические условия.- М.: Издательство стандартов, 1990 - 18 с.
9 Патент RU 2562468 С1, 10.09.2015.
10 ГОСТ 34385-2018 Буксы и адаптеры для колесных пар тележек грузовых вагонов: Общие технические условия. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2018 - 20 с., рис. 1, с. 3-4.