ПОДАВИТЕЛЬ ВИЛЯНИЯ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА - АНТИВИЛ В.В. БОДРОВА
FREIGHT CAR BOGIE WOBBLE SUPPRESSOR - ANTI-YOKES BY BODROV V.V

Устройство относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к ходовой части грузовых вагонов, и может быть использовано для устранения основных проблем существующих тележек и при разработке новых конструкций в направлении улучшения их технико-эксплуатационных качеств.
В связи с тем, что на магистральных железных дорогах России участились случаи аварий грузовых вагонов, транспортники-эксплуатационники отмечают, что наиболее значимая причина поломок деталей ходовых тележек - недопустимо большие напряжения в них при потере устойчивости движения, называемом «виляние вагонов». Пустые грузовые вагоны входят в режим самоподдерживающегося виляния на скорости менее 70 км/ч. Названа причина - частичный износ деталей в технически исправных тележках. Решение: ограничить скорость грузовых составов, в которых есть хоть один пустой вагон, при движении в кривых участках пути до 60 км/ч [1].
Транспортники-ученые в результате проведенных исследований отмечают, что пустой вагон с взятыми из эксплуатации тележками с изношенными гребнями колес, начиная со скорости 70 км/ч, на прямолинейном участке пути входит в режим автоколебаний виляния с частотой 2.2 Гц. На скорости до 75 км/ч наблюдался неустойчивый движение вагона в целом. В криволинейных участках пути движение стабилизируется через прижатие колес к внешнему рельсу [2].
Причины виляния тележек - это неравномерный износ колес по кругу катания в колесной паре, износ гребней колес, нежесткая связь боковых рам между собой, надрессорной балки и рессорными комплектами, в результате чего имеют место продольные забегания рам относительно друг друга на величину 15-20 мм, что зависит от величины горизонтальной деформации пружин и зазоров в буксах.
К настоящему времени ходовая часть основной массы грузовых вагонов - тележка модели 18-100 [3], которая включает колесные пары с буксами, боковые рамы, опирающиеся на буксы и надрессорную балку с подпятником и скользунами, опирающуюся на рессорные комплекты. Благодаря зазорам между скользунами кузова и тележки поворот ее относительно кузова не тормозится, но не тормозятся и колебания виляния.
Известно техническое решение по патенту [4], согласно которому в тележке грузового вагона, включающей боковые рамы, надрессорную балку, рессорный комплект и колесные пары, последние разделены на две полуоси и каждая полуось оборудована буксами по обе стороны колеса, обе части колесной пары сочленены в центральной части своими полуосями, вставленными в трубу, и размещенной между ними пружиной, на буксы установлены боковины, в нижней части жестко скрепленные подрессорной балкой, на которой размещен рессорный комплект.
Пружины колесных пар постоянно прижимают гребни колес к рельсам, в том числе и к внутреннему рельсу в кривой пути, компенсируя износ гребней, а жесткая связь боковин исключает их забегания. Такое конструктивное решение существенно затрудняет виляние, но имеет недостатки:
- Постоянное прижатие гребней колес к рельсам интенсифицирует износ гребней колес и рельсов.
- В кривых пути при скорости вагона более 60 км/ч поперечные силы в каждой колесной паре достигают нескольких тонн, а пружина, диаметр которой ограничен, не может обладать необходимой жесткостью.
- Подшипники букс должны обеспечить слишком большой разбег - поперечное перемещение осей.
Известен ряд патентов, в которых предусмотрено фрикционное демпфирование поворота тележки, в том числе при колебаниях виляния, например, [5]. Недостаток таких конструкций заключается в том, что демпфирование поворота тележки при вхождении в кривую пути и выходе на прямую увеличивает давление гребней колес на рельсы, соответственно увеличивает их взаимный износ.
Известен и принят в качестве прототипа подавитель виляния тележки грузового вагона - антивил Бодрова [6], включающий опирающуюся на рельсы своими колесами внешнюю по отношению к тележке жесткую горизонтальную раму из продольных и поперечных балок, регулируемые средства ограничения продольного и поперечного перемещения боковых рам тележки и средства подавления виляний, содержащих два двуплечих рычага, вертикальные оси которых жестко закреплены в центрах поперечных балок внешней рамы, короткое плечо каждого рычага входит в кулисное сочленение с жестко закрепленным к хребтовой балке кузова вертикальным цилиндрическим упором, а длинное плечо шарнирно связано с возможностью поворота вокруг вертикальной оси с одним из концов двух одинаковых пневмоаммортизаторов (в дальнейшем ПА), вторые концы которых шарнирно соединены с возможностью поворота вокруг вертикальной оси с продольными противоположными балками рамы. Каждый ПА включает цилиндрический корпус с дном и крышкой, поршень со штоком; крышка имеет впускное отверстие с обратным клапаном, предотвращающим выход воздуха из штоковой полости наружу, поршень имеет сквозное отверстие с обратным клапаном, предотвращающим выход воздуха из бесштоковой полости в штоковую, а в дне имеется отверстие малого диаметра [7].
При движении вагона по прямому пути продольные оси тележек и кузова параллельны, поршни ПА расположены в середине корпуса.
При вхождении вагона в кривую пути тележка с антивилом поворачивается относительно кузова на некоторый небольшой угол, при этом закрепленный на кузове упор поворачивает короткие плечи двухплечих рычагов, а их длинные плечи посредством штоков перемещают поршни ПА - в двух штоковая полость сокращается и воздух перетекает в бесштоковую, а в двух сокращается бесштоковая полость, воздух сжимается и постепенно стравливается наружу через малое отверстие в дне, а в штоковую полость засасывается воздух из атмосферы. При выходе из кривой пути поршни возвращаются в исходное положение, небольшой перепад давления на поршне быстро устраняется. Таким образом, антивил практически не затрудняет движения в кривых пути.
При колебаниях виляния в каждом периоде тележка поворачивается в обе стороны, то есть ход поршней ПА увеличивается примерно вдвое, соответственно увеличивается степень сжатия во всех четырех ПА антивила. Промежуток между циклами прохождения кривых исчисляется в секундах и минутах, а период непрерывных колебаний виляния исчисляется десятыми долями секунды, поэтому утечка воздуха через малые отверстия в дне в режиме колебаний не играет существенной роли, давление в бесштоковых полостях за несколько секунд возрастает до существенной величины, при этом момент, противодействующий колебанию виляния, равен произведению давления в ПА на площадь поршня, на отношение длин плеч рычага и на расстояние между осями двуплечих рычагов, а примерно одинаковое давление во всех цилиндрах обеспечивает фиксацию тележки в положении, при котором ее продольная ось параллельна оси вагона. За несколько секунд после прекращения виляния давление стравливается через отверстия малого диаметра в дне и тележка снова получает возможность поворота в кривых пути.
Регулируемые средства ограничения продольного и поперечного перемещения боковых рам тележки фиксируют положение боковых рам относительно осей колесных пар под прямым углом и исключают возможность относительного продольного их забегания в пути.
Для исключения дополнительной нагрузки на оси тележки рама антивила опирается на собственные колеса.
Вагоны, тележки которых оборудованы такими антивилами, можно было бы транспортировать с конструкционной скоростью тележек (120 км/ч и более), но по условиям тепловых процессов торможения на поверхности катания, а именно на нее воздействуют тормозные колодки существующих тормозных систем, согласно действующим нормативам по тормозам грузовые поезда могут следовать со скоростью не более 90 км/ч [8].
Недостаток прототипа в том, что, устраняя виляние вагонов, что значительно повышает межремонтный срок эксплуатации вагонов и степень безаварийности транспортировки составов, он не обеспечивает повышение допустимой скорости их движения.
Задача изобретения - конструкция, обеспечивающая увеличение допустимой скорости вагонов со стандартными тележками не только по условиям исключения потери устойчивости движения, но и по условиям эффективного торможения с большей скорости без увеличения силового воздействия на поверхности катания колес.
Задача решается за счет того, что в подавителе виляния тележки грузового вагона, включающем горизонтальную раму, содержащую продольные и поперечные балки, регулируемые средства ограничения продольного и поперечного перемещения боковых рам тележки и средства подавления виляния, согласно изобретению он оборудован зажимными тормозами, содержащими закрепленные к поперечным балкам горизонтальной рамы у каждого колеса тележки с возможностью поворота в горизонтальной плоскости два зеркально одинаковых держателя с тормозными колодками и с гайками винтовой пары, винт которой в зоне винтовых пар выполнен с правой и левой резьбой, оборудован раздвижной пружиной и шарнирно соединен системой рычагов и тяг с другими винтами зажимных тормозов подавителя виляний, с рычажной тормозной системой тележки и с тормозным цилиндром вагона и/или тележки.
Дополнительно к этому, гайки винтовых пар выполнены с возможностью установки в держателях под различными углами относительно своей оси, а рычаг/рычаги винта выполнен/-ны с возможностью жесткого крепления к винту под различными углами относительно оси винта, например, шлицевым соединением; горизонтальная рама оборудована колесами, опирающимися на рельсы.
Поворот держателей во встречном направлении для прижатия тормозных колодок к боковым поверхностям обода (тормозным поверхностям) колеса винтом обеспечивает необходимую силу прижатия, правая и левая резьбы в винтовых парах обеспечивают необходимый угол поворота держателей (в пределах 1.2°) при повороте винта на угол 60-70°, для этого винт жестко соединен с рычагом.
Рычаги тормозов всех колес тележки имеют равную длину плеч и в исходном положении наклонены к горизонту на примерно равный угол, поэтому при их шарнирном соединении жесткими тягами поворачиваются на одинаковый угол.
Шарнирное соединение рычагов винтов с системой тяг и рычагов тормозной системы вагона обеспечивает параллельную работу тормозов на антивиле с работой рычажной тормозной системой тележки.
Тормозные колодки могут быть расположены на концах держателей, что позволяет выполнить тормоз компактным, но с высокой осевой нагрузкой на винт, а могут быть расположены на держателях между винтом и шарнирным соединением держателей с тележкой, что позволяет уменьшить примерно в четыре раза осевую нагрузку на винт, В этом случае наличие опоры для консольных концов держателей позволяет уменьшить напряжение изгиба в пальцах шарниров и силу трения в них.
Выполнение гаек винтовых пар с возможностью установки в держателях под различными углами относительно своей оси и рычага винта с возможностью жесткого крепления к винту под различными углами относительно оси винта, например, шлицевым соединением, обеспечивает возможность компенсации износа тормозных колодок при сохранении примерно постоянным исходного положения и угла поворота рычага винта при торможении.
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
Фиг. 1 - Вид сверху на тележку с антивилом
Фиг. 2 - Вид сверху на антивил в прямой пути
Фиг. 3 - Вид сверху на антивил в кривой пути
Фиг. 4 - Вид сбоку на часть тележки с антивилом со стороны середины вагона
Фиг. 5 - Разрез по А-А
Фиг. 6 - Разрез по оси пневмоамортизатора
Горизонтальная рама 1 (фиг. 1-3) антивила расположена на уровне верха боковой рамы 2 (фиг. 1, 4, 5) тележки, расстояние между внутренними поверхностями строго параллельных продольных балок 3 (фиг. 1-3) рамы 1 незначительно превышает расстояние между внешними поверхностями боковых рам 2. В центрах поперечных балок 4 рамы 1 жестко закреплены вертикальные оси 5 (фиг. 1-3) двуплечих рычагов 6, короткие плечи которых имеют вырезы для кулисного сочленения с упорами 7 (фиг. 1-4), жестко закрепленными к хребтовой балке 8 (фиг. 4) на равном расстоянии от шкворня 9 (фиг. 1), а концы длинных плеч шарнирно соединены со штоками 10 (фиг. 2, 3, 6) ПА, каждый из которых содержит цилиндр 11 (фиг. 6) с дном 12 и крышкой 13, а также поршень 14 с перепускными отверстиями 15, обратным клапаном 16 и отверстием малого диаметра 17. Крышка 13 имеет впускные отверстия 18, оборудована обратным клапаном 19 и соединена гибким патрубком 20 с воздушным фильтром.
Дно 12 цилиндров 11 шарнирно соединено с кронштейнами 21 (фиг. 2, 3, 5) поперечных балок 4.
Средства регулировки и фиксации положения боковых рам 2 относительно продольных балок 3 включают по два шарнирно закрепленных к каждой балке 3 упора 22 (фиг. 2-5) и жестко закрепленных кронштейнов 23 с нажимными болтами 24 (фиг. 4) с контргайками, а параллельность боковых рам 2 продольным балкам 3 обеспечивается нажимными болтами 25 с контргайками. Для увеличения жесткости внешней рамы 1 ее продольные балки 3 жестко соединены дополнительными поперечными балками 26 (фиг. 1-5).
Против колес 27 (фиг. 1, 4, 5) тележки к поперечным балкам 4 рамы жестко закреплены по два пальца 28 (фиг. 1, 2, 4, 5) с вертикальными осями, на которых шарнирно установлена пара зеркально одинаковых держателей 29, каждый из которых выполнен в виде двух полос, жестко соединенных гнездом 30 (фиг. 4, 5) тормозной колодки 31 (фиг. 5), упором 32 гайки 33 и стяжкой 34. Держатели соединены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости винтом 35 (фиг. 1, 5) с распорной пружиной 36. Винт 35 образует с гайками 33 винтовые пары и выполнен с правой и левой упорной резьбой. Пара держателей 29 с винтом 35 образует зажимной тормоз. Винт 35 тормозов колесной пары со стороны автосцепки вагона жестко соединен с рычагом 37 (фиг. 1, 2, 4, 5), шарнирно соединенным с толкателем 38 (фиг. 1, 2, 4), а со стороны середины вагона жестко соединен с рычагом 39 (фиг. 1, 2, 4, 5), шарнирно соединенным с балансиром 40, центр которого шарнирно соединен с тягой 41 (фиг. 1, 2) системы рычажных тормозов тележки и привода тормозов вагона, включающей тормозной цилиндр вагона, систему рычагов и тяг, ручной тормоз. Свободные концы держателей 29 с небольшим зазором входят в П-образную опору 42 (фиг. 1, 2, 4, 5), жестко соединенную с балкой 26. Перемещение держателей 29 в сторону от колеса 27 ограничено регулируемыми упорами 43 (фиг. 5), жестко закрепленными к балкам 26.
Антивил может быть оборудован двумя парами колес 44 (фиг. 1, 2, 4), выполненных из жесткого полиуретана, обеспечивающего практически полное подрессоривание, колеса имеют стальные бандажи 45 (фиг. 4) и установлены с возможностью независимого вращения в осях 46 (фиг. 1, 2), жестко закрепленных кронштейнами 47 (фиг. 1, 2, 4) к поперечным балкам 4.
В варианте конструкции антивила без колес внешняя рама 1 опирается балками 26 на боковые рамы 2 тележки.
Устройство сочленяется с тележкой следующим образом.
В условиях депо на тележку, подготовленную к подкату под вагон, грузоподъемным средством опускают антивил с разведенными в стороны держателями 29, обеспечивают параллельность одной из боковых рам 2 расположенной рядом продольный балке 3, например, струбцинами и фиксируют положение боковой рамы 2 нажимными болтами 25 и 24, которые прижимают упоры 22 к краям рамы 2, затем проверяют перпендикулярность осей колесных пар зафиксированной боковой раме 2 или, что равнозначно, продольной балке 3. В случае отклонения от перпендикулярности соответствующим упором 22 противоположной балки 3 перемещают вторую боковую раму 2 в положение перпендикулярности осей колесных пар, после чего фиксируют ее вторым упором 22 этой балки 3, плотно прижимают все упоры 22 до краев рам 2, нажимные болты 25 до сторон рам 2, потом все нажимные болты 24 и 25 отпускают на четверть оборота и фиксируют контргайками.
Затем винтами 35 и положением гаек 33 относительно винтов 35 держатели 29 сводятся к колесам 27 так, чтобы расстояние между тормозными колодками 31 и боковыми поверхностями ободов колес 27 было в пределах 4-6 мм. К винтам крепятся в заданном положении на шлицевых соединениях и фиксируются рычаги 38 и 40, они соединяются с толкателями 39 и балансиром 41. Одинаковый зазор между боковыми поверхностями колес 27 и рабочими поверхностями тормозных колодок 31 выставляется регулируемыми упорами 43. После этого тележка с антивилом подкатывается под вагон, к хребтовой балке 8 которого предварительно с помощью шаблона жестко закреплены упоры 7.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении ось симметрии двуплечих рычагов 6 находится в плоскости продольных осей вагона и тележки, поршни 14 - в середине цилиндров 11, держатели 29 отведены пружиной 36 от колеса 27 до контакта с упорами 37. Тормозные колодки 31 плотно входят в зазор между полосами держателей 29 и упираются своей тыльной цилиндрической поверхностью в цилиндрическую поверхность гнезд 30. Гайки 33 с шестигранной наружной поверхностью плотно входят в зазор между полосами держателей 29 и контактируют своей цилиндрической поверхностью с цилиндрической поверхностью упоров 32.
Работа антивила при движении вагона в кривых пути и при вилянии тележки аналогична работе прототипа и описана выше.
При торможении вагона тяга 42 перемещает балансир 41 в направлении середины вагона, соединенные с ними рычаги 40 поворачивают винты 35 с левой и правой резьбой и образующие с ним две винтовые пары гайки 33 перемещаются к середине винта 35, поворачивая через упоры 32 держатели 29. Пружины 36 сжимаются, а гнезда 30 прижимают тормозные колодки 31 к боковым поверхностям колес 27. Одновременно вторые рычаги 38 поворачиваются винтами 35 и посредством толкателей 39 синхронно поворачивают рычаги 38 и винты 35 тормозов второй колесной пары тележки.
Балансир 41 обеспечивает равную силу прижатия всех тормозных колодок 31 к колесам 27 даже при различной степени износа колодок в допустимых пределах.
После торможения тяга 42 перемещает балансир 41 в исходное положение, рычагами 40 и 38 винты 5 поворачиваются в обратную сторону, гайки 33 раздвигаются и пружины 36 поворачивают держатели 29 так, что колодки 31 отходят от колес 27.
Равнодействующая силы торможения параллельна держателям 29, но поскольку рабочая поверхность колодок 31 расположена по обе стороны вертикального диаметра колеса 27, в держателях 29 образуется крутящий момент относительно оси колеса 27. Ему противодействует опирание концов держателей 29 о нижнюю или верхнюю полку П-образной балки 42 в зависимости от направления вращения колес.
Поскольку тяга 41 одновременно воздействует на штатную рычажную тормозную систему тележки, происходит совместное прижатие тормозных колодок к поверхности катания и к боковым поверхностям ободов колес 27, что примерно вдвое увеличивает эффективность торможения вагона при той же тепловой нагрузке на поверхности катания колес и обеспечивает торможение со значительно большей скорости без увеличения тормозного пути.
При значительном износе колодок в процессе техобслуживания гайки 33, выполненные с возможностью установки в держателях 29 под различными углами относительно своей оси, или рычаги 37,39 винтов 35, выполненные с возможностью жесткого крепления к винту 35 под различными углами относительно оси винта, например, шлицевым соединением, поворачиваются и снова крепятся так, чтобы в исходном положении зазор между тормозными поверхностями колодок 31 и колес 27 был примерно в допустимых пределах, а равенство зазоров на всех колесах тележки обеспечивается регулируемыми упорами 43.
При длительной остановке механизм ручного тормоза вагона воздействует на тягу 41 так, что балансир 40 приводит в действие зажимные тормоза.
Таким образом, предложенная конструкция антивила обеспечивает возможность транспортировки вагона со скоростью, равной конструкционной скорости тележек с нулевой вероятностью перехода в неуправляемый режим автоколебаний виляния и эффективное торможение с этой скорости без увеличения тормозного пути и силового воздействия на поверхности катания колес.
Источники информации
1. Д. Мельничук и др. Тележки грузовых вагонов: проблемы, которые нужно решить. Информагенство РЖД ПАРТНЕР.РУ. от 24.01.2013. http://www.rzd-partner.ru/interviews/comments/telezhki-qruzovykh-vagonov--problemy--kotorye-nuzhno-reshit′/.
2. О.М. Савчук и др. Об интенсивном вилянии тележек. СМИ об РЖД. Журнал «Железнодорожный транспорт», №4, 2003 г. http://press.rzd.ru/smi/public?STRUCTURE_ID=2&laver_id=5051&refererLaverld=5050&id=12358&print=1.
3. Быков Б.В. Конструкция тележек грузовых и пассажирских вагонов. Иллюстрированное учебное пособие. М.: Маршрут, 2004, с. 9, 10.
4. Патент РФ 2440907 С2, МКП: B61F 5/06; B61F 5/16; B61F 5/38; B61F 3/16. Опубл. 27.01.2012. Бюл. №3.
5. Патент РФ 2229400 С2, МКП: B61F 5/14. Опубл. 27.05.2004. Бюл. №15.
6. Патент UA 88358 U, МПК: B61F 5/02; F16F 9/02; F16F 15/02. Опубл. 11.03.2014, Бюл. №5.
7. Патент UA 88355 U, МПК: F16F 9/02; F16F 15/02; B61F 5/02. Опубл. 11.03.2014. Бюл. №5.
8. МПС РФ. ЦТ-ЦВ-ЦЛ-ВНИИЖТ/277. Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог. Приложение 2. Нормы обеспечения поездов тормозами и допускаемые скорости движения поездов.