ШАРНИРНО-КЛИНОВАЯ ТЕЛЕЖКА

Полезная модель относится к рельсовому транспорту, в частности к двухосным тележкам ходовой части вагона.
В мире применяется широкий парк тележек (1) с разной конструкцией основных элементов, включающих колесные пары, буксы, рессорное подвешивание, возвращающие и стабилизирующие устройства, раму с деталями рессорного подвешивания и тормозного оборудования, а также надрессорные и иные балки с подпятниками и скользунами, несущими нагрузки от рамы кузова вагона (Вагоны / под ред. Л.Д. Кузьмича. М: Машиностроение. 1978. 376 с).
С середины 50-х годов прошлого века и по настоящее время на железных дорогах колеи 1520 мм в основном эксплуатируется тележка модели 18-100 (2). Тележка состоит из двух колесных пар, четырех букс, двух литых боковых рам, двух комплектов центрального рессорного подвешивания, литой надрессорной балки и тормозной рычажной передачи. Тормоз тележки - колодочный с односторонним нажатием колодок. Связь рамы с буксами - непосредственная челюстная, опора кузова на тележку через подпятник надрессорной балки, а при наклоне кузова - дополнительно через скользуны (Совершенствовать ходовую часть грузовых вагонов. Авторы И.А. Харыбин, А.М.Орлова, А.В. Додонов. Журнал "Вагоны и вагонное хозяйство" №1(17) 2009 г.)
Достоинствами тележки являются относительно неплохие показатели качества хода, отработанная с годами технология изготовления и обслуживания в эксплуатации и относительно небольшая цена.
С момента ввода тележки модели 18-100 в эксплуатацию ее конструкция претерпела ряд изменений и модернизаций.
Так, известна тележка модели 18-100М (2), в буксовый проем боковой рамы которой устанавливается сменная прокладка толщиной 6 мм, типовые фрикционные планки узла гашения колебаний заменены составными, состоящими из двух элементов: неподвижной фрикционной планки (толщиной 10 мм), которая приклепывается к боковой раме, и контактной (подвижной) фрикционной планки (толщиной 6 мм), свободно размещенной между неподвижной планкой и вертикальной поверхностью фрикционного клина. Стальные фрикционные клинья тележки модели 18-100 заменены на чугунные. В подпятник надрессорной балки устанавливается износостойкий элемент из стали 30ХГСА в виде плоской прокладки (диска).
Достоинства тележки - улучшение ее эксплуатационных качеств, скорости движения и межремонтных пробегов.
Известна тележка модели 18-578 (2). В тележке используются съемные скользуны упруго-каткового типа, чугунные термоупрочненные фрикционные клинья с уретановыми накладками, износостойкая чаша в подпятнике надрессорной балки, колеса повышенной твердости, подшипники кассетного типа, рессорные пружины меньшей, чем у тележки 18-100, жесткостью. Достоинствами тележки являются увеличение межремонтного периода пробега грузовых вагонов и гарантийного срока эксплуатации.
Известна тележка модели 18-9810 (2) практически не имеющая неметаллических элементов. В узлах трения тележки применены износостойкие материалы, а в конструкции изнашиваемых материалов - визуальные индикаторы. Рессорное подвешивание в проемах боковых рам состоит из комплекта двухрядных цилиндрических пружин и подвешивает составные фрикционные чугунные клинья пространственного действия, состоящие из двух зеркальных частей. В кармане надрессорной балки приваривают сменную вставку пространственной конфигурации, изготовленную из мягкой стали, затрудняющую поворот надрессорной балки относительно боковой рамы, возникающий при взаимном забегании боковых рам. На надрессорной балке тележки выполнены площадки для боковых скользунов постоянного контакта, состоящих из комплекта цилиндрических пружин внутри корпуса, количество которых подбирается в зависимости от веса порожнего кузова вагона.
Достоинствами тележки являются повышенное сопротивление забеганию в тележке под порожними вагонами, по отношению к тележке 18-100, что способствует поднятию безопасных скоростей их движения на один уровень с гружеными. Упругие скользуны снижают боковые силы, действующие на рельсы, и уменьшают нагрузки на подпятник.
Известна тележка модели 18-115 (3), на верхнюю поверхность корпуса буксового узла которой установлена резиновая прокладка переменной толщины, более равномерно распределяющая нагрузки на ролики и повышающая надежности его работы. В буксовые проемы литой боковой рамы установлены съемные седла, которыми она опирается на резиновую прокладку корпуса буксы. В качестве гасителя колебаний в тележке используется усеченный фрикционный клин, наклонная площадка которого развернута под углом 60° к продольной оси тележки. Фрикционные клинья в гнездах надрессорной балки наклонными поверхностями взаимодействуют с наклонными поверхностями балки, а вертикальными поверхностями - с фрикционными планками, укрепленными на колонках боковой рамы. Надрессорная балка литой конструкции имеет на верхней плоскости два упругих фрикционных скользуна (https://www.pomogala.ru/konsrukt/konstrukt_24.html)
Достоинствами тележки являются несколько лучшая, чем с клином тележки 18- 100, связь боковых рам тележки в плане, а применение упругих фрикционных скользунов обеспечивает более высокие ходовые качества вагона в результате гашения колебаний боковой качки кузова и виляния тележки.
Недостатки тележки модели 18-100М - недостаточная поперечная жесткость упруго-фрикционной связи боковых рам относительно друг друга через надрессорную балку (2), большие зазоры между направляющими буксовых узлов и челюстями боковых рам (3), большие затраты на обслуживание и ремонт в эксплуатации.
Недостатки тележки модели 18-578 (2) - недостаточное сопротивление забеганию боковых рам и чрезмерное виляние тележки при повышении скоростей порожних вагонов.
Недостатки тележки 18-9810 (2) - недостаточные скорости движения грузового подвижного состава, особенно в порожнем состоянии.
Недостатком тележки 18-115 (3) является недостаточная поперечная жесткость вследствие смещения боковых рам в пределах поперечных зазоров в соединении боковых рам с корпусом буксовых узлов.
Все указанные варианты тележек, как и многие другие, являются разновидностями тележки модели 18-100 и помимо указанных недостатков для каждой из них в той или иной мере характерны недостатки имеющиеся у тележки модели 18-100. Поэтому эта тележка и выбрана в качестве тележки прототипа.
К недостаткам тележки 18-100 относятся недостаточная поперечная жесткость упруго-фрикционной связи боковых рам относительно друг друга через надрессорную балку (4), ведущая к нарушению прямоугольной формы тележки в плане пути и интенсивному боковому износу головки рельсов и гребней колес (Бабий О.А. Снижение интенсивности накопления повреждений рельсов в кривых малого радиуса: дис. … канд. техн. наук: 05.22.06. М., 2002. 138 с. ), а также большие зазоры между направляющими буксовых узлов и челюстями боковых рам (5), которые при деформации пружин допускают продольное смещение рам вдоль своих осей в режиме маятниковых колебаний с ростом интенсивности виляния тележки, ухудшением динамики вагона, износа поверхностей корпусов букс и челюстей боковых рам, перекосов и нагрева подшипников и снижением надежности и срока службы буксовых узлов (Руководящий документ РД32 ЦВ 052-2005 Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов).
Поэтому тележка - прототип (6) при относительно низкой цене требует больших затрат на обслуживание и ремонт в эксплуатации (Новая тележка для грузовых вагонов / В.М. Бубнов [и др.] //Железные дороги).
Сущность полезной модели заключается в повышении жесткости упруго-фрикционных связей боковых рам тележки с буксовыми узлами и надрессорной балкой путем устранения зазоров в их соединениях. Задачами полезной модели являются уменьшение бокового износа головки рельсов и гребней колес, уменьшение износов поверхностей корпусов букс и челюстей боковых рам, а также улучшение условий работы подшипников буксовых узлов.
На фигурах 1-6 показаны схемы соединений элементов предлагаемой тележки.
На фиг. 1 показано беззазорное шарнирное соединение боковой рамы с буксовым узлом, где 1 - боковая рама, 2 - резьбовая вставка с конической поверхностью внутри, 3 - шар, 4 - буксовый узел.
Каждая из челюстей боковой рамы 1 расположена горизонтально, а фиксируется и центрируется относительно корпуса буксового узла 4 при помощи шарниров образованных коническими поверхностями двух зеркально установленных износостойких резьбовых вставок и сферической поверхностью прочного износостойкого шара 3, расположенного между ними. Перед сборкой тележки резьбовые вставки 2 устанавливаются с двух противоположных сторон в корпус буксового узла 4. Далее челюсти боковой рамы 1 сопрягаются с корпусом буксового узла 4 колесной пары до предварительного совпадения вертикальных осей их отверстий. Затем устанавливаются верхний шар 3 и до упора в него резьбовая вставка 2 верхней челюсти. Далее нижний шар 3 устанавливается на резьбовую вставку 2 нижней челюсти, и она вкручивается в нижнюю челюсть до упора нижнего шара 3 в коническую поверхность нижней резьбовой вставки 2 буксового узла. В результате устраняются зазоры шарнирного соединения боковой рамы с буксовым узлом.
Вся вертикальная нагрузка от массы вагона передается на колесную пару через верхний шарнир.
Нижний шарнир служит для устранения зазора в соединении, центрирования буксового узла 4 относительно боковой рамы 1 и передачи через него, совместно с верхним шарниром, тягового усилия на колесную пару 9. Для уменьшения силы трения в шарнире полость в верхней резьбовой втулке 2 буксового узла 4 может быть заполнена смазкой, а на ее коническую поверхность может быть нанесена, например накаткой, сетка для удержания смазки в соединении.
Аналогично можно использовать смазку в нижнем шарнире для чего следует предварительно закрыть заглушкой (на схеме не показана) цилиндрическое отверстие в резьбовой вставке 2 нижней челюсти боковой рамы 1.
На фиг 2 показано шарнирное соединение боковой рамы 1 с буксовым узлом 4, где для уменьшения трения верхний шарнир включает, установленную в корпус буксового узла 4 резьбовую втулку 5, имеющую внутреннюю цилиндрическую проточку, на дно которой по периметру установлено несколько шаров 6. В верхнюю челюсть боковой рамы 1 установлен резьбовой штифт 7, опирающийся своим коническим хвостовиком на шары 6, причем конус хвостовика выполнен под углом, исключающим возникновение в его соединении с шарами 6 эффекта клина.
При этом в верхнем шарнире трение скольжения заменяется трением качения шаров 6 относительно резьбовой втулки 5, что уменьшит износ деталей соединения и усилие при ориентации и повороте колесной пары относительно боковых рам в пределах зазоров между ребордами колес тележки и рельсовым путем.
Перед сборкой тележки резьбовые вставки 2 и 5 устанавливаются с двух противоположных сторон в корпус буксового узла 4. Далее челюсти боковой рамы 1 сопрягаются с корпусом буксового узла 4 до предварительного совпадения вертикальных осей их отверстий. Затем по периметру цилиндрической проточки резьбовой втулки 5 устанавливаются шары 6, а в верхнюю челюсть боковой рамы 1 до упора в шары 6 вкручивается резьбовой штифт 7. Далее нижний шар 3 устанавливается на резьбовую вставку 2 нижней челюсти, и она вкручивается в нижнюю челюсть до упора шара 3 в коническую поверхность нижней резьбовой вставки 2 буксового узла 4. В результате устраняются зазоры шарнирного соединения боковой рамы с буксовым узлом.
Вся вертикальная нагрузка от массы вагона передается на колесную пару через верхний шарнир.
Нижний шарнир служит для устранения зазора в соединении и центрирования буксового узла 4 относительно боковой рамы 1 и передачи через него, совместно с верхним шарниром, тягового усилия на колесную пару 9.
На фиг. 3 показана схема распределения сил действующих в шарнирном соединении при вертикальной нагрузке фиг. 1.
В каждой точке линии контакта шара 3 с конической поверхностью резьбовой втулки 2, вектор распределенной по этим точкам вертикальной силы тяжести вагона mg, раскладывается на два вектора - mg cos β и mg sin β, отклоняющихся от вертикали в зоне подшипников 8, установленных на оси колесной пары 9, соответственно на угол β и угол 90° - β. Величина сил, направленных вдоль каждого из этих векторов меньше величины силы направленной вдоль вектора mg. Поэтому величина деформации корпуса буксового узла в зоне подшипников уменьшится, а условия их работы - улучшатся.
На фиг. 4 - показана хвостовая часть надрессорной балки 10, где 11 - опорная поверхность балки, контактирующая с клином фрикционного гасителя колебаний и выполненная с наклоном вдоль двух координатных осей.
На фиг. 5 показан клин 12 фрикционного гасителя колебаний с поверхностью выполненной с наклоном в вертикальной плоскости и контактирующей с ответной поверхностью надрессорной балки, где
α - угол наклона в вертикальной плоскости поверхности клина, контактирующей с поверхностью надрессорной балки
β - угол наклона в горизонтальной плоскости поверхности клина, контактирующей с поверхностью надрессорной балки
На фиг. 6 показана схема предлагаемой тележки, где 1 - боковая рама, 4 - буксовый узел, 10 - надрессорная балка, 12 - клин с поверхностью, имеющей наклон в двух плоскостях, 13 - угловая колонка с фрикционными планками, закрепленная во внутреннем проеме боковой рамы и ограничивающая смещение клина в горизонтальной плоскости.
Таким образом, при работе тележки под действием вертикальной нагрузки от массы вагона, имеющие наклон в двух плоскостях поверхности надрессорной балки 10 сопрягаются с аналогичными поверхностями клиньев 12, прижимают их к фрикционным планкам угловых колонок 13 и без зазоров фиксируют балку 10 относительно боковых рам 1 в горизонтальной плоскости. При этом рамы 1 через шарниры жестко без зазоров фиксируются относительно буксовых узлов колесных пар.
Такая конструкция тележки препятствует возникновению колебаний боковых рам и надрессорной балки в горизонтальной плоскости и вилянию тележки, что улучшает условия работы буксовых узлов и повышает срок их службы. При этом шарнирные связи боковых рам с буксовыми узлами допускают некоторую самоустановку колесных пар относительно рельсового пути за счет их поворотов в горизонтальной плоскости в пределах зазоров между головками рельсов и ребордами колес.
Существенное отличие полезной модели от прототипа заключается в применении в конструкции тележки, исключающих зазоры шарнирных связей боковых рам с буксовыми узлами колесных пар, и в постоянной связи надрессорной балки с боковыми рамами в горизонтальной плоскости.
В этом состоит новизна полезной модели.
Таким образом, полезность модели заключается в уменьшении бокового износа головки рельсов и гребней колес, уменьшение износов поверхностей корпусов букс и челюстей боковых рам и повышение их ремонтопригодности, а также улучшение условий работы подшипников буксовых узлов с соответствующим уменьшением затрат на их эксплуатацию.
Источники информации
1. Вагоны / под ред. Л.Д. Кузьмича. М.: Машиностроение, 1978. 376 с.
2. (Совершенствовать ходовую часть грузовых вагонов. Авторы И.А. Харыбин, А.М.Орлова, А.В. Додонов. Журнал "Вагоны и вагонное хозяйство" №1(17) 2009 г.)
3. (https://www.pomogala.ru/konsrukt/konstrukt_24.html)
4. Бабий О.А. Снижение интенсивности накопления повреждений рельсов в кривых малого радиуса: дис. … канд. техн. наук: 05.22.06. М., 2002. 138 с.
5. Руководящий документ РД32 ЦВ 052-2005 Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов.
6. Новая тележка для грузовых вагонов / В.М. Бубнов [и др.] // Железные дороги.