Буксовые узлы и рессорное подвешивание вагонов

Буксовые узлы (буксы) относятся к ходовым частям вагона и предназначены для:

• соединения колесных пар с рамами тележек или вагонов;
• передачи нагрузки от кузова вагона через подшипник на шейку оси колесной пары;
• ограничения поперечного и продольного перемещений колесных пар относительно кузова вагона или тележки при движении вагона.

В соответствии с перечисленным букса должна обладать достаточной прочностью для передачи нагрузки, быть достаточно герметичной, обеспечивать удобство и легкость монтажа и демонтажа подшипников, а также осмотр деталей буксового узла. Одновременно с этим буксы должны обеспечивать вращение колесных пар с наименьшим сопротивлением.

В зависимости от типа вагона буксовые узлы подразделяют на буксы грузовых вагонов и буксы пассажирских вагонов, предназначенные для обычных, скоростных и высокоскоростных поездов.

По конструкции буксы делятся на буксы с подшипниками качения и буксы с подшипниками скольжения. По числу роликовых подшипников на шейке выделяют буксы с одним или двумя роликовыми подшипниками, а для скоростных и высокоскоростных вагонов - с дополнительным упорным шариковым подшипником.

Основными требованиями при проектировании буксового узла являются:

• безотказность и долговечность работы в экстремальных условиях эксплуатации в течение установленного срока службы;
• минимально возможная собственная масса при высокой надежности работы;
• простота монтажа и демонтажа буксовых узлов при ремонте;
• надежная герметизация буксового узла от попадания пыли и влаги;
• обеспечение взаимозаменяемости и унификации деталей.

Эксплуатация букс с подшипниками скольжения требует постоянного контроля за уровнем смазки, ее периодической доливки, что существенно снижает пропускную способность железных дорог из-за частых остановок поездов для обслуживания букс. Кроме того увеличенное сопротивление вращению колесных пар значительно снижает допустимый вес поездов. С 1998 г. эксплуатация букс с подшипниками скольжения на общей сети железных дорог России прекращена. Буксовые узлы с подшипниками скольжения можно встретить только в вагонах промышленного транспорта, не эксплуатируемых на сети дорог общего пользования, а также в вагонах старой постройки и тендерах паровозов, эксплуатируемых в качестве подвижного состава, имеющего историческую ценность.

В настоящее время в России все вагоны грузового и пассажирского парков оборудованы буксами с подшипниками качения. Подшипники качения обладают бóльшими преимуществами по сравнению с подшипниками скольжения. Использование в буксах пассажирских и грузовых вагонов роликовых подшипников позволило не только резко сократить расход цветных металлов, идущих на изготовление подшипников скольжения, но и значительно повысить эффективность работы подвижного состава. Вагоны, оборудованные подшипниками качения, легче передвигаются вследствие уменьшения силы трения при вращении оси. При той же мощности локомотива и при прочих равных условиях это дает возможность увеличить полезный вес поезда и скорость движения, а следовательно, повысить пропускную способность железнодорожных линий ти снизить эксплуатационные затраты, так как снижается расход смазки. Кроме того, в 7-10 раз уменьшается сопротивление движению состава при трогании с места, что важно для работы с тяжеловесными грузовыми поездами.

Применение подшипников качения на подвижном составе также повышает эксплуатационную надежность вагонов в связи с отсутствием отцепок по нагреву букс, увеличивает срок службы вагонных осей, ликвидирует надобность в подбивочных материалах. Уход за роликовыми подшипниками в эксплуатации сводится только к ревизии букс и замене в них смазки. При правильном монтаже и эксплуатации срок службы подшипников качения весьма значителен.

Букса грузового вагона имеет корпус (1) с приливами, в котором размещены передний (5) и задний (4) подшипники с короткими цилиндрическими роликами. Со стороны колеса корпус закрыт лабиринтным уплотнением (2, 3), а спереди - крепительной крышкой (8), укрепленной болтами к корпусу и смотровой крышкой (13) с болтами (12) и шайбами (11). Крепительная крышка из стали или алюминиевого сплава прочно удерживает наружные кольца роликовых подшипников в буксе, не позволяя им проворачиваться и перемещаться вдоль оси при вращении колесной пары.

Внутренние кольца подшипников закреплены на шейке оси с торца корончатой гайкой, либо торцевой шайбой (7) с болтами (14). Между корпусом буксы и крепительной крышкой установлено уплотнительное кольцо (9), обеспечивающее герметизацию буксового узла. Внутренняя полость буксы заполнена консистентной смазкой, обеспечивающей надежную работу подшипников в сложных условиях их нагружения. Корпус буксы может изготавливаться из стали или алюминиевого сплава.

Особенность конструкции буксы пассажирского вагона заключается в том, что в нижней части корпуса отлиты заодно с корпусом кронштейны с отверстиями для пропуска шпинтонов, укрепленных на раме тележки. Кронштейны предназначены для размещения пружин буксового подвешивания. Передняя часть корпуса позволяет устанавливать редукторно-карданный привод подвагонного генератора. В потолке корпуса буксы имеется несквозное отверстие, служащее для крепления термодатчика контроля за состоянием буксы при движении вагона. Задняя часть корпуса буксы выполнена как одно целое с лабиринтной частью.

Буксы вагонов скоростных поездов отличаются от обычных наличием упорного шарикового подшипника (4), воспринимающего повышенные осевые нагрузки, возникающие при высокой скорости движения до 200 км/ч и более.

С 2007 года на грузовые вагоны начали устанавливать бескорпусные буксы с кассетными подшипниками. Кассетный подшипник запрессовывается внутренними обоймами на шейку оси колесной пары. Непосредственно на подшипник установлена полубукса ("адаптер"), имеющая массивную верхнюю часть для передачи нагрузок от боковой рамы тележки на буксу. Горизонтальные (поперечные и продольные) усилия передаются также через челюсти. Торец оси с шайбовым креплением и центровочный конус остаются открытыми.

Пассажирские вагоны также могут иметь буксы с кассетными подшипниками. Однако в этом случае букса имеет корпус, внутри которого установлен кассетный роликовый подшипник.

Запрещается постановка в поезд и следование в нем вагонов, у которых буксовый узел имеет хотя бы одну из следующих неисправностей (п.149 Главы IX ПТЭ):

• ослабление болтового крепления смотровой или крепительной крышки;
• трещины, вмятины выпуклости или протертости смотровой или крепительной крышек;
• сдвиг корпуса буксы;
• разрушение или трещины корпуса буксы;
• выброс смазки на диск и обод колеса;
• нагрев верхней части корпуса буксы более 60° (для букс с кассетными подшипниками в корпусе - более 70°) без учета температуры окружающего воздуха.

Отдельные требования предъявляются ПТЭ к грузовым вагонам, имеющим бескорпусные буксы с кассетными подшипниками.

Повышенный нагрев корпуса буксы в его верхней части является признаком неисправности или разрушения буксового подшипника. Температура верхней части букс вагонов по всему составу должна быть примерно одинаковой. Сравнение температуры букс должно производиться с одной стороны вагона или состава. Осмотрщик при движении вагонов, а также на стоянках по внешним признакам выявляет неисправные буксовые узлы. Критическая температура корпуса буксы может быть определена тыльной стороной ладони, кратковременно приложенной к верхней части корпуса.

На ходу поезда температура буксовых узлов контролируется приборами бесконтактного обнаружения перегретых букс ПОНАБ, ДИСК, КТСМ. Пассажирские вагоны оборудуются бортовыми системами контроля нагрева букс (СКНБ), передающими информацию от температурных датчиков, установленных в корпусах букс, на щит управления, расположенный в служебном купе проводника.

Порядок технического обслуживания буксы:

• проверка состояния колесной пары; осмотр корпуса буксы, лабиринтного кольца и крышки;
• проверка нагрева буксы и сравнение его с другими буксами этого же вагона.

По всем неисправностям, выявленным по внешним признакам, осмотрщик должен принять решение о ремонте буксового узла. При невозможности установить причину нагрева буксы колесная пара должна быть заменена и направлена в вагонное депо для ремонта.

Для всех букс с роликовыми подшипниками установлены два вида ревизии: полная и промежуточная.

Полная ревизия букс производится при полном освидетельствовании колесных пар, а также при выявлении неисправности буксового узла. Она выполняется на вагоноремонтных заводах, в мастерских или депо, имеющих цеха для снятия, установки и ремонта роликовых подшипников. После полной ревизии под один из болтов крепительной крышки устанавливают бирку с указанием даты и номера пункта, проводившего ревизию.

Промежуточную ревизию букс проводят при обточке поверхности катания колес (без снятия букс), при обыкновенном освидетельствовании колесных пар и при единой технической ревизии пассажирских вагонов.

Для смягчения ударов, которые возникают при прохождении колесными парами рельсовых стыков, продольных неровностей рельсов, стрелочных крестовин, а также для увеличения плавности хода, повышения уровня комфорта пассажиров и обеспечения сохранности грузов и безопасности движения ходовые части вагона имеют рессорное подвешивание. Элементы рессорного подвешивания обеспечивают снижение ускорений колебательного движения и уменьшение воздействия динамических сил на элементы вагона, создавая плавный ход вагона в процессе длительной эксплуатации.

Основной составляющей рессорного подвешивания являются упругие элементы - рессоры и пружины. Они смягчают толчки и удары, действующие на движущийся вагон от рельсового пути.

Рессора - упругий элемент, собранный из отдельных полос, тарелей или колец. Наибольшее распространение получили листовые рессоры, которые собираются из нескольких постепенно укорачивающихся, наложенных друг на друга и изогнутых по дуге плоских или желобчатых стальных листов. Посередине листы соединяют шпилькой-заклепкой и прочно посаженным на них хомутом.

Два ряда рессор, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу и соединенные по концам специальными наконечниками, образуют эллиптическую рессору (рессору Галахова), которая состоит из коренных листов (1), наборов листов различной длины (2), двух стяжных хомутов (3) и двух наконечников (4, 5).

Трение между листами рессор уменьшает амплитуды вынужденных колебаний. Под действием нагрузки происходит выпрямление рессоры. Величина ее прогиба под грузом называется стрелой прогиба, разность между фабричной стрелой и стрелой прогиба - прогибом рессоры. Рессоры встречаются в двухосных вагонах старой постройки, а также в тележках грузовых вагонов, преимущественно изотермических.

В последнее время получают распространение пневматические рессоры, являющиеся наиболее прогрессивными упругими элементами ходовых частей вагонов. Упругим телом в таких рессорах является сжатый воздух, нагнетаемый компрессором. Основным преимуществом пневморессор является способность поддержания положения кузова на определенном уровне относительно головок рельсов независимо от величины нагрузки, что обеспечивается автоматическим регулированием давления воздуха внутри рессоры. Кроме того, они обладают хорошими вибро- и шумогасящими свойствами, обеспечивающими комфорт пассажирам, а также малой массой. Пневморессоры применяются в тележках скоростных поездов и в современных вагонах метро.

В настоящее время в качестве упругих элементов ходовых частей вагонов наиболее часто применяются витые цилиндрические пружины, которые в силу своих преимуществ (высокая упругость, простота изготовления, легкость снятия и установки, высокий срок службы и др.) почти полностью вытеснили листовые рессоры.

Ввиду отсутствия межвиткового трения ресурс пружины значителен, однако вместе с этим существует вероятность нарастания амплитуды колебаний пружинного подвешивания, в связи с чем возникает необходимость установки дополнительных элементов подвешивания - гасителей колебаний.

Применяемые в вагоностроении гасители колебаний по характеру и изменению сил сопротивления колебаниям делят на фрикционные и гидравлические.

В фрикционных гасителях колебаний сопротивление создается силами трения, возникающими при скольжении трущихся частей: фрикционных клиньев по фрикционным планкам, либо фрикционных сухарей по втулке шпинтона.

В гидравлических гасителях колебаний вязкая жидкость (масло), находящаяся в корпусе гасителя, под действием поршня перетекает из одной полости в другую через узкие каналы, тем самым создавая сопротивление перемещению поршня.

В пассажирских вагонах применяются гидравлические и фрикционные гасители колебаний, в грузовых - преимущественно фрикционные.

В зависимости от количества последовательно соединенных групп упругих элементов подвешивание может быть одинарным, двойным и тройным. Последовательное соединение групп упругих элементов позволяет увеличить общий прогиб и общую гибкость рессорного подвешивания тележки, а следовательно, улучшить ходовые качества вагона.

Наибольшее распространение в мировой практике вагоностроения получили одинарное (одноступенчатое) и двойное (двухступенчатое) рессорные подвешивания вагонов.

Одинарное подвешивание применяется, как правило, в тележках грузовых вагонов, за исключением изотермических. Оно может быть буксовым (а) - упругие элементы установлены между рамой тележки и буксами, либо центральным (б) - упругие элементы установлены между рамой тележки и надрессорной балкой.

Каждый вариант размещения упругих элементов одноступенчатого подвешивания имеет свои достоинства и недостатки. Система с буксовым подвешиванием позволяет уменьшить массу необрессоренных частей, однако при этом усложняется конструкция тележки. Система с центральным подвешиванием значительно проще и поэтому получила большее распространение.

Двойное подвешивание представляет собой комбинацию центрального и буксового подвешиваний. Двухступенчатое подвешивание может быть полностью пружинным, либо комбинированным - на пружинах и эллиптических рессорах.

Двойное подвешивание широко распространено в тележках пассажирских и изотермических вагонов. Оно состоит из первичного буксового подвешивания, размещенного между буксой (1) и рамой тележки (2), и вторичного центрального подвешивания — между рамой тележки (2) и надрессорной балкой (3), на которую опирается кузов вагона. Центральное подвешивание при этом может быть люлечным или безлюлечным.

В люлечном центральном подвешивании (в) кузов опирается на надрессорную балку (3), а балка через комплекты упругих элементов — на люльку (4), шарнирно связанную с рамой тележки (2) при помощи подвесок. Люлька может качаться в поперечном и продольном направлениях, создавая плавное отклонение кузова относительно рамы тележки. Использование люлечного подвешивания повышает уровень комфорта пассажиров и улучшает воздействие вагона на путь. В тележках с люлечным подвешиванием используются гидравлические гасители, обеспечивающие гашение как вертикальных, так и горизонтальных колебаний кузова.

В безлюлечном центральном подвешивании (г) надрессорная балка (3) опирается непосредственно на раму тележки (2) через комплекты упругих элементов.

Люлечное центральное подвешивание имеют тележки пассажирских и изотермических вагонов, безлюлечное — тележки скоростных пассажирских вагонов и вагонов дизель-поездов, а также тележки нового поколения для скоростей движения до 160 и 200 км/ч.