НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ БУКС

В практике вагоностроения получило распространение большое количество типов и конструкций букс, которые можно объединить в отдельные группы. В зависимости от типа вагона их подразделяют на буксы грузовых и пассажирских вагонов, предназначенных для обычных, скоростных и высокоскоростных поездов. По типу подшипников их подразделяют на буксы с подшипниками качения и с подшипниками скольжения. По способу посадки внутреннего кольца роликового подшипника на шейку оси применяют буксы на горячей и на втулочной посадке. По типу торцевого крепления внутреннего кольца подшипника на шейке оси — с креплением гайкой или шайбой, а некоторые из них оснащаются упругими элементами. По количеству роликовых подшипников на шейке применяют буксы с одним или двумя роликовыми, а для скоростных и высокоскоростных вагонов — с дополнительным упорным шариковым подшипниками. Существуют буксы с корпусом и бескорпусные, кассетного типа с коническими подшипниками, а также буксы с упругими элементами, смягчающими удары и поглощающими шумовые колебания.

Рис. 1.1. Тележка грузовая.

Рис. 1.2. Тележка пассажирская.

2. БУКСЫ С ПОДШИПНИКАМИ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Буксы с подшипниками скольжения подразделяют в зависимости от типа подшипника — с двух- и трёхслойным подшипником. По типу смазывающих устройств — на подбивочные, польстерные и с механическими устройствами, имеющими нижнюю или верхнюю систему подачи смазки к шейке оси. По конструкции корпуса буксы применяют с цельным, разъемным корпусом и бескорпусные, а по типу крышки — с откидывающейся на шарнире или глухой крышкой, укрепляемой на корпусе на болтах.

Недостатки букс с подшипниками скольжения, приводящие к массовым задержкам поездов из-за перегрева букс, повышению затрат по техническому обслуживанию и ремонту вагона, нарушению безопасности движения поездов послужили причинами перевода пассажирских и грузовых вагонов на буксы с подшипниками качения. С 1960 г. все пассажирские, а с 1983 г. все грузовые вагоны выпускают только на роликовых подшипниках.

Рассмотрим устройство буксы скольжения на примере типовой (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Типовая букса с подшипником скольжения тележки грузового вагона.

Букса с подшипником скольжения состоит из литого корпуса 1, подшипника 2, вкладыша 3, уплотняющей шайбы 4, подбивки (польстера с польстерной щёткой) 5 и крышки 6. В нижней части корпуса буксы находится запас жидкой осевой смазки.

Вертикальная нагрузка передаётся с корпуса буксы через вкладыш на подшипник скольжения. Осевая смазка при помощи подбивки смачивает поверхность шейки оси и при её вращении попадает под подшипник скольжения, образуя между ним и шейкой тонкий слой, тем самым обеспечивая работу узла.

Для подвода смазки к шейке оси в первых буксах применялась подбивка, уложенная на дно корпуса буксы. По капиллярам волокон подбивки смазка поступала к шейке оси. Позже стали применяться подбивочные валики, которые впоследствии были вытеснены польстером. Польстер имеет полушерстяную щётку, постоянно прижимаемую пружинами к шейке оси. По опущенным вниз фитилям смазка поступает к щётке.

В первых вагонах подшипники были медными, корпус был вначале чугунным, а затем стальным. Впоследствии подшипники изготовляли трёхслойными. Прилегал такой подшипник к шейке оси антифрикционным слоем, лучшим материалом для которого оказался кальциевый баббит. Между корпусом и антифрикционным слоем находилась латунная армировка. С 1978 г. стали применять двухслойные подшипники без латунной армировки. Такие более монолитные конструкции лучше отводят тепло, образующееся в результате трения баббита по шейке, чем трёхслойные.

Одной из первых букс скольжения была букса нормального типа. Её корпус состоял из верхней и нижней частей, соединённых двумя болтами с гайками и контргайками. Для осмотра шейки оси, подшипника, подбивки, смены подбивки нижнюю часть корпуса опускали вниз. Смазку в корпус буксы заливали через маслёнку, отлитую вместе с верхней частью корпуса. Смазка по одному каналу поступала к подшипнику, а по второму – к подбивке. Маслёнка закрывалась крышкой. Для удержания подбивки от выворачивания на дне нижней части корпуса имелись приливы.

В первых вагонах применялись и другие конструкции разъёмных букс, в которых вместо маслёнки имелось отверстие для добавления смазки. Оно закрывалось пробкой, а верхняя и нижняя части корпуса соединялись хомутом.

Разъёмные буксы обладали существенными недостатками: крепительные болты часто ослаблялись, в результате чего подбивка переставала питать смазкой шейку оси; из-за неплотного прилегания частей корпуса смазка загрязнялась и вытекала; в корпусе возникали трещины и отколы.

В 30-х годах разъёмные корпуса букс были вытеснены более надёжными цельнолитыми различных конструкций. У нетележечных вагонов боковые стенки корпуса имели узкие пазы для буксовых лап, а у тележечных – широкие для челюстей. В тележках без челюстей корпуса букс отливались с нижними боковыми опорами (крыльями) для цилиндрических пружин. В других тележках корпус имел поверхность удобной формы для опирания балансира, пружины или листовой рессоры. В поясных тележках грузовых вагонов корпус буксы был приспособлен для болтового соединения с поясами.

3. БУКСЫ С ПОДШИПНИКАМИ КАЧЕНИЯ

Буксовый узел современного отечественного вагона — это буксовый узел с цилиндрическими роликовыми подшипниками на горячей посадке, которыми оснащаются все типы пассажирских и грузовых вагонов.

Рисунок 3.1. Типовой буксовый узел грузового вагона.

Типовые буксовые узлы грузовых вагонов состоят из корпуса 3, двух цилиндрических подшипников — переднего 4 и заднего 5, крепительной 2 и смотровой 1 крышек, лабиринтного кольца 6, съёмного лабиринта 7, приставного кольца 8 и элементов торцевого крепления подшипников. Между корпусом и крепительной крышкой устанавливается уплотнительное кольцо 10, а между смотровой и крепительной крышками — резиновая прокладка. К элементам торцевого крепления относятся корончатая гайка 12, стопорная планка 14 и два болта 13, крепящие планку.

Рисунок 3.2. Типовой буксовый узел пассажирского вагона.

Типовые буксовые узлы пассажирских вагонов состоят из корпуса 1, двух цилиндрических подшипников — переднего 2 и заднего 3, крепительной 6 и смотровой 7 крышек, лабиринтного кольца 4 и элементов торцевого крепления подшипников. Между корпусом и крепительной крышкой устанавливается уплотнительное кольцо 5, а между смотровой и крепительной крышками — резиновая прокладка. К элементам торцевого крепления относятся тарельчатая шайба 9, болты 11, закрепляющие шайбу, и стопорная шайба 10.

Типовые буксовые узлы грузовых и пассажирских вагонов отличаются только конструкцией корпуса буксы.

Корпус буксы предназначен для размещения элементов буксового узла и смазки. Конструкция корпуса буксы определяется схемой опирания рамы тележки на буксовый узел и различается также конструктивным оформлением лабиринтной части.

В вагонах применяют корпуса букс двух типов: челюстные — без опор под рессорные комплекты, но с направляющими пазами для челюстей боковой рамы тележки — для грузовых вагонов (рис. 3.3), бесчелюстные — с опорными кронштейнами под пружины рессорных комплектов — для пассажирских вагонов (рис. 3.4).

Рисунок 3.3. Корпус буксы грузовых вагонов.

Рисунок 3.4. Корпус буксы пассажирских вагонов.

Корпуса букс могут быть цельными — когда корпус выполнен заодно целое с лабиринтной частью, и составными — с впрессованной лабиринтной частью. Лабиринтная часть выполнена в виде кольцевых лабиринтных канавок и располагается в задней части корпуса. Буксы грузовых вагонов имеют как цельные, так и составные корпуса, буксы пассажирских вагонов — цельные. В стенках передней части корпусов делают отверстия с нарезкой под болты М20 для закрепления крепительной крышки.

Подшипники для букс грузовых и пассажирских вагонов единые. Задний подшипник выполнен с однобортовым внутренним кольцом, а передний — с безбортовым внутренним кольцом и плоским приставным кольцом, выполняющим роль борта. Роликовый подшипник состоит из наружного и внутреннего колец, между которыми находятся ролики, располагающиеся на одинаковом расстоянии друг от друга в сепараторе. Внутреннее кольцо подшипника устанавливается на шейку оси с натягом, а наружное в корпус буксы — свободно. Вращение шейки оси вместе с внутренним кольцом подшипника вызывает вращение роликов вокруг своих осей и перекатывание по дорожкам качения между наружным и внутренним кольцами. Свободное перемещение роликов обеспечивается наличием радиального и осевого зазоров.

Цилиндрические подшипники, применяемые в вагонах, выполнены разъёмными: наружное кольцо, сепаратор, ролики образуют отдельный блок, который свободно снимается и надевается на внутреннее кольцо. Такая конструкция упрощает технологию монтажа и демонтажа буксового узла, поэтому она находит широкое применение в вагоностроении.

Ролики цилиндрического подшипника (рис. 3.5 а) имеют форму цилиндра, образующая которого представляет прямую линию, параллельную оси вращения подшипника и перпендикулярную радиальной нагрузке. Так радиальная нагрузка распределяется по всей длине ролика, а осевая — лишь торцами. Для предупреждения вредного влияния перекоса буксы и прогиба шейки оси на работу цилиндрических подшипников ролики стали изготавливать со скосами «бомбиной» (рис. 3.5 б).

Рисунок 3.5. Типы роликов:

а — со скосами, б — с рациональным контактом «бомбиной».

Рисунок 3.6. Варианты торцевого крепления подшипников на шейке оси:

а — корончатой гайкой; б — торцевой шайбой.

Элементы торцевого крепления подшипников предназначены для закрепления внутренних колец подшипников в осевом направлении. В буксах колёсных пар типа РУ1-950 (рис. 3.6 а) применяют корончатые торцевые гайки 1, стопорные планки 2 и болты 3 для крепления планок. Корончатые гайки обычно изготавливают шестигранными с одиннадцатью пазами для постановки стопорной планки. Планку укрепляют в пазу торца оси двумя болтами, скрепляемыми прокалённой проволокой.

В буксах колёсных пар типа РУ1Ш-950 для торцевого крепления подшипников применяются тарельчатые шайбы 4 (рис. 3.6 б). Шайбы бывают двух разновидностей: с тремя или четырьмя отверстиями для постановки болтов М20. Более современной является конструкция с четырьмя болтами. В обоих вариантах для стопорения болтов от самоотвинчивания используется объединённая стопорная отгибная шайба 6. Для крепления шайб на торцах шеек осей имеются отверстия с нарезкой, куда ввёртывают крепёжные болты 3. В центре шайбы предусмотрено отверстие большого диаметра для обеспечения установки центра станка при обточке поверхности катания колёс, производимой без демонтажа буксовых узлов.

4. БУКСЫ С КОНИЧЕСКИМИ ПОДШИПНИКАМИ

В высокоскоростных поездах TGV (Франция), ICE (Германия) и Talgo (Испания), эксплуатируемых со скоростями 200 – 350 км/ч, используются буксовые узлы с двухрядными коническими роликовыми подшипниками (рис. 4.1).

Рисунок 4.1. Букса для высокоскоростного подвижного состава.

Конические двухрядные роликовые кассетные подшипники получили широкое распространение в ходовых частях высокоскоростного подвижного состава в силу следующих достоинств:

- приспособленности к комбинированному нагружению высокого уровня, что гарантирует большие пробеги и эксплуатацию подвижного состава в пределах установленной периодичности его технического обслуживания;

- соответствия геометрических характеристик подшипников условиям высокоскоростного движения;

- компактного конструктивного исполнения;

- кассетного конструктивного принципа, обеспечивающего значительные преимущества при организации экономически эффективного централизованного технического обслуживания.

Кассетный буксовый узел (рис. 4.2) представляет собой готовую к установке конструкцию, отрегулированную на заводе-изготовителе, заправленную смазкой и снабжённую внутренними уплотнителями. Он имеет меньшие размеры и массу, чем типовой узел, а также требует в 2 раза меньшее количество смазки на заправку узла.

Рисунок 4.2. Кассетный буксовый узел.

Буксовый узел состоит из двухрядного подшипника, включающего два ряда внутренних колец 6, двух комплектов конических роликов 10, двух сепараторов 8 и единого наружного кольца 7, выполняющего роль корпуса буксы. Положение подшипника на шейке оси фиксируется передней 5 и задней 11 крепительными крышками, а также тремя упорными кольцами (передним 2, средним дистанционным 9 и задним). Задняя крепительная крышка 11 за счёт натяга имеет тугую посадку на шейке оси, а передняя 5 крепится к торцу оси тремя болтами 4, которые фиксируются от самопроизвольного отворачивания стопорной шайбой 3. Герметизация подшипника от проникновения пыли и влаги обеспечивается уплотнительными кожухами 1 (передним и задним) с упругими сальниками.

В отечественных пассажирских тележках нового поколения для скоростей движения до 200 км/ч (модели 68-4075, 68-4076) устанавливают буксовые узлы, такие, как показанный на рис. 4.3.

Рисунок 4.3. Буксовый узел отечественных пассажирских тележек нового поколения.

Такой буксовый узел имеет корпус буксы и кассетный двухрядный конический подшипник. С каждой стороны буксового узла расположены внутренние и наружные крепительные крышки, между которыми размещаются уплотнительные кожухи. Внутренние крепительные крышки фиксируют в осевом направлении внутренние кольца подшипника, наружные — наружное кольцо. Задняя внутренняя крепительная крышка напрессовывается на предподступичную часть оси. Передние внутренняя и наружная крышки крепятся болтами соответственно к торцу оси и к корпусу буксы. Лабиринтное уплотнение буксы обеспечивается кожухами совместно с кольцами, которые устанавливаются в кольцевые канавки внутренних передней и задней крышек.

На рисунке 4.4 показан буксовый узел кассетного типа фирмы SKF, который в настоящее время внедряется на сети железных дорог Российской Федерации. Применение таких буксовых узлов позволяет увеличить межремонтные пробеги вагонов, повысить безопасность движения поездов. Достигается это применением в конструкции буксового узла полимерных прокладок, уменьшающих износ в зоне контакта внутреннего кольца и заднего опорного кольца подшипника; применением резиновых уплотнителей, обеспечивающих улучшенную защиту от загрязнения; применением полиамидных сепараторов, уменьшающих износ роликов.

Рисунок 4.4. Буксовый узел фирмы SKF.

Буксовые узлы пассажирских вагонов нового поколения способствуют безопасности перевозок, достигающейся применением встроенных датчиков температуры и осевых датчиков противоюзного устройства (рис. 4.5). Тем самым, буксовые узлы одной колесной пары отличаются друг от друга (один узел имеет датчики, другой — не имеет).

Рисунок 4.5. Расположение датчиков на кассетной буксе.

5. ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ БУКСОВЫХ УЗЛОВ

На этапе перевода буксовых узлов от подшипников скольжения к подшипникам качения, на железных дорогах США применялись буксы с цилиндрическими роликовыми подшипниками и система циркуляции жидкого осевого масла. Один из вариантов такого подшипника показан на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Букса с роликоподшипниками Хайят и фильтрующей системой (США).

Вариант буксы с однорядным сферическим подшипником на втулочной посадке с торцевым креплением корончатой гайкой показан на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Букса с однорядным сферическим подшипником на втулочной посадке.

Учитывая недостатки цилиндрических подшипников в передаче осевых нагрузок через торцы роликов на бурты внутреннего и наружного колец, для скоростного движения пассажирских поездов разрабатывались буксы с упорными шариковыми подшипниками, размещаемыми в корпусе буксы между двумя цилиндрическими подшипниками (рис. 5.3).

Рисунок 5.3. Букса В.М. Чебаненко.

Вариант буксы французской компании ISNR, предназначенной для скоростей движения до 200 км/ч, показан на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4. Букса фирмы ISNR (Франция) с двумя цилиндрическими и двумя упорными шарикоподшипниками.

На некоторых типах подвижного состава, эксплуатирующегося на железных дорогах мира, применяются ходовые части с независимым вращением колёс относительно неподвижной оси. В этом случае роликовые подшипники устанавливаются в ступице колеса. Вариант такой компоновки колеса, предназначенного для эксплуатации вагонов на железных дорогах колеи 1520 – 1435 мм, показан на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5. Вариант буксового узла в ступице колеса (Болгария) для эксплуатации на колеях 1435 ÷ 1520 мм.