Колесные пары с буксовыми узлами являются наиболее ответственными элементами ходовых частей вагона. В практике вагоностроения применяют колесные пары с буксовыми узлами на подшипниках качения и на подшипниках скольжения. Впредь все вагоны, как пассажирские, так и грузовые, будут выпускаться только на подшипниках качения, поэтому мы далее рассматриваем колесные пары только на подшипниках качения.

Безопасность движения поездов во многом зависит от качества осмотра колесных пар, а их состояние оказывает влияние на плавность хода, поэтому в эксплуатации за их состоянием установлено тщательное наблюдение.

Работая в таких сложных условиях нагружения и изменяющихся температурных и погодных условий окружающей среды, буксы должны обеспечивать минимальное сопротивление вращению колесных пар, высокую надежность и безопасность движения вагона. Поэтому к их конструкции, техническому обслуживанию и ремонту предъявляют высокие требования, в особенности при повышении скорости движения поездов и росте нагрузок от колёсных пар вагонов.

1. Классификация и особенности устройства вагонных букс

Буксы являются важнейшими элементами ходовых частей вагона, от надежности которых во многом зависит безопасность движения поездов. Буксы располагаются на шейках оси и преобразуют вращательное движение колесных пар, обеспечивая продвижение вагона с необходимыми скоростями. Буксы воспринимают и передают колесным парам силы тяжести груженого кузова, а также динамические нагрузки, возникающие при движении вагона. Буксы предохраняют шейки оси от загрязнения и повреждения, являясь резервуаром для смазки и местом размещения подшипников, они ограничивают продольные и поперечные перемещения колесных пар относительно рамы тележки.

Работая в таких сложных условиях нагружения и изменяющихся температурных и погодных условий окружающей среды, буксы должны обеспечивать минимальное сопротивление вращению колесных пар, высокую надежность и безопасность движения вагона. Поэтому к их конструкции, техническому обслуживанию и ремонту предъявляют высокие требования, в особенности при повышении скорости движения поездов и росте нагрузок от колесных пар вагонов.

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.

2. Буксовые узлы по типу подшипников

2.1 Буксовые узлы с подшипниками качения

Буксовые узлы с подшипниками качения делятся на узлы с цилиндрическими и сферическими роликовыми подшипниками. На железных дорогах СНГ применяются буксовые узлы только с цилиндрическими и сферическими роликовыми подшипниками.

С 1964 г. новые вагоны на сферических подшипниках не выпускаются, и к настоящему времени их удельный вес не превышает 5% от буксовых узлов с подшипниками качения и по мере выхода из строя они заменяются цилиндрическими подшипниками. Основной буксовый узел современного вагона — это буксовый узел с цилиндрическими роликовыми подшипниками на горячей посадке, которыми оснащаются все типы пассажирских и грузовых вагонов. Весь пассажирский и около 80% грузового вагонного парка переведены на буксовые узлы с роликовыми подшипниками. С 1982 г. все новые вагоны выпускаются только на роликовых подшипниках. Объясняется это тем, что вагоны на роликовых подшипниках более надежны в эксплуатации, чем на подшипниках скольжения. Отцепки вагонов и задержки поездов по грению букс на роликовых подшипниках в несколько раз меньше, чем на подшипниках скольжения.

Удельное сопротивление поездов при трогании с места снижается в 7—10 раз, а расход топлива или электроэнергии локомотивами — на 10%. Кроме этого, при роликовых подшипниках возможно увеличение скоростей движения поездов и длины безостановочных участков, что приводит к повышению пропускной способностижелезных дорог и сокращению объема работы по обслуживанию поездов.

В буксовых узлах с подшипниками качения меньше расходуется цветных металлов и смазочных материалов, чем с подшипниками скольжения. Таким образом, буксовые узлы на подшипниках качения обладают лучшими техническими качествами, чем буксовые узлы на подшипниках скольжения. Основными требованиями, предъявляемыми к буксовым узлам, являются: безотказность и долговечность работы в существующих условиях эксплуатации в течение установленных сроков службы, небольшая собственная масса; взаимозаменяемость и унификация деталей; простота выполнения монтажа и демонтажа узлов при ремонте и хорошая герметизация буксового узла.Буксовый узел(рис.4) с роликовыми подшипниками современного грузового вагона имеет корпус 1, в котором размещены два подшипника — передний 2 и задний 3 с цилиндрическими роликами. Корпус закрыт со стороны колеса лабиринтными уплотнениями 4 и 5, а впереди крепительной 8 и смотровой 10 крышками с болтами 6 и шайбами 9.

Подшипники закреплены с торца корончатой гайкой, болтами 12 и стопорной планкой 13.

Между корпусом и крепительной крышкой установлено уплотнительное кольцо 7.

Рисунок 1 Буксовый узел грузового вагона

Типовой буксовый узел пассажирского вагона(рис.5) с креплением подшипников шайбой имеет корпус буксы передний 2 и задний 3 подшипники на горячей посадке, лабиринтное 4 и уплотнительное 5 кольца, крепительную 6 и смотровую 7 крышки, болты 8, торцовую шайбу 9, стопорную шайбу 10 и болты закрепляющие шайбу.

Корпус буксы предназначен для передачи нагрузки от массы вагона на шейку оси, ограничения перемещений колесной пары вдоль и поперек относительно рамы тележки и размещения подшипников. В корпус буксы закладывают смазку. Конструкция корпуса буксы определяется схемой опирания рамы тележки на буксовый узел и конструкцией лабиринтной части его.

Корпус может быть изготовлен с опорными кронштейнами и сплошной лабиринтной частью либо с пазами для челюстей и с впрессованной лабиринтной частью.

Корпус буксы грузового вагона с цельной лабиринтной частью 2 представляет собой отливку из стали марок 20ФЛ, 20ГЛ.

Рисунок 2 Буксовый узел пассажирского вагона

2.2 Анализ подшипников качения

Основные преимущества роликовых подшипников :

· снижение удельного сопротивления движению и, как следствие, снижение расхода топлива или электроэнергии локомотивами (на 4-11% в зависимости от типа подшипников) или возможность увеличения скорости движения или массы поезда, что обеспечивает повышение пропускной и провозной способности дорог, снижение расходов на ремонт локомотивов;

· снижение сопротивления движению при трогании с места в 7-10 раз; при этом величина сопротивления не зависит от времени стоянки и температуры наружного воздуха;

· практически полное отсутствие случаев нагрева букс при повышении скоростей движения, удлинении безостановочных пробегов и ускорении оборота вагона;

· резкое сокращение объема работ по обслуживанию букс в эксплуатации, что позволяет значительно сократить штат слесарей и осмотрщиков на пунктах технического обслуживания (ПТО), ликвидировать штат станционных смазчиков, уменьшить количество ПТО на сети дорог;

· значительное или даже полное сокращение расхода цветных металлов (при изготовлении сепараторов роликовых подшипников из стали, специального чугуна или полимерных материалов);

· большая экономия смазочных материалов, а также полное исключение расхода подбивочных материалов и необходимости сезонной смены смазки.

Недостатками подшипников качения являются:

· ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

· непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

· значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

· шум во время работы, обусловленный погрешностями форм;

· сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

· повышенная чувствительность к неточности установки;

· высокая стоимость при мелкосерийном производстве уникальных по размерам подшипников.

Монтаж букс с роликовыми подшипниками.

· Буксы с роликовыми подшипниками должны монтироваться в чистом и светлом помещении. Детали букс, подлежащие монтажу, промывают в специальных ваннах горячим щелочным раствором, а подшипники — мыльной эмульсией. Колесные пары, поданные в монтажное отделение, должны быть также чистыми. Особенно тщательно очищают части колес, обращенные к осевым шейкам.

· Перед монтажом буксовых узлов тщательно проверяют основные размеры подшипников, осевых шеек и деталей монтируемых букс. Неточность допущенная при изготовлении одной какой-либо детали, вызывает нарушение исправной работы не только этой детали, но и буксы в целом. Большое значение имеют предварительная проверка состояния собираемых деталей и качественная сборка их в буксовый узел.

· Количество операций по монтажу букс с роликовыми подшипниками и их последовательность зависят от способа посадки подшипников, на ось. Рассмотрим некоторые особенности монтажа букс с роликовыми подшипниками при различных способах посадки.

2.3 Буксовые узлы с подшипниками кассетного типа

В высокоскоростных поездах, эксплуатируемых со скоростями 200-350 км/ч, используются буксовые узлы с двухрядным и коническими роликовыми подшипниками. 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.

Лабиринтное уплотнение буксы обеспечивается кожухами совместно с кольцами, которые устанавливаются в кольцевые канавки внутренних передней и задней крышек.

Кассетный буксовый узел представляет собой готовую к установке конструкцию, отрегулированную на заводе-изготовителе, заправленную смазкой и снабженную внутренними уплотнениями. Он имеет меньшие размеры и массу (55кг), чем типовой буксовый узел (105 кг), а также требует в 2 раза меньшее количество смазки на заправку узла. 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.

Рисунок 3 кассетный буксовый узел

К преимуществам конических подшипников кассетного типа относят:

· высокий уровень надежности;

· качество стали позволяет достигать нагрева изделия не выше 90° С , что исключает риск перегрева всего узла;

· эксплуатация в условиях высоких вибраций;

· увеличивают скорость движения колес техники в 2 раза по сравнению с традиционным стандартными решениями (возможное развитие скорости — до 385 км/ч);

· долговечность (в соотношении с цилиндрическим подшипником показатель выше в 3 раза);

· гарантированный производителем пробег составляет 1 миллион километров.

· подшипники производятся в сборе с двумя комплектами тел качения в виде закрытого, отрегулированного и смазанного узла, готового к монтажу;

· цементируемые или азотируемые стали, подверженные вакуумной обработке, позволяют увеличить срок эксплуатации вдвое в условиях высоких скоростей и придают хорошую сопротивляемость к повреждениям;

· высокая точность обработки поверхностей контакта предотвращает повышенную температуру.

3. Буксовые узлы по способу посадки

3.1 букса с горячей посадкой

Типовая букса с горячей (глухой подшипниковой) посадкой внутреннего кольца цилиндрических роликовых подшипников на шейку оси применяется в современных грузовых и пассажирских вагонах. При горячей посадке внутреннее кольцо подшипника, имея определенный натяг, нагревается и свободно одевается на шейку оси, а после остывания прочно охватывает шейку. В буксах современных вагонов применяют радиальные роликовые подшипники с короткими цилиндрическими роликами двух типов: однорядные с цилиндрическими роликами и однобортовым внутренним кольцом; однорядные с без бортовым внутренним кольцом и плоским приставным упорным кольцом. В буксах вагонов прежних лет постройки использовали двухрядные сферические роликовые подшипники на втулочной осадке. Подшипники состоят из наружного и внутреннего колец, роликов и сепараторов. Кольца и ролики изготавливаются из сталей марок ШХ4, ШХ15 и ШХ15СГ.Сталь марки ШХ4 регламентируемой прокаливаемости обладает более высокой твердостью поверхностного слоя и достаточной вязкостью внутренних волокон, что обеспечивает более высокую устойчивость хрупкому разрушению по сравнению со сталями марок ШХ15 и ШХ15СГ. Цилиндрические подшипники просты в изготовлении, стоимость их ниже других типов, но по сравнению со сферическими они требуют большей точности сборки и тщательной подборки по радиальным зазорам. Радиальная нагрузка, приходящаяся на цилиндрический ролик, распределяется равномерно по всей его рабочей длине, а у сферических подшипников неравномерно, что вызывает повышенные контактные напряжения в месте соприкосновения роликов и дорожек качения колец. В результате сравнения статистических данных эксплуатации долговечность сферических, при равных габаритах и одинаковой радиальной нагрузке Ролики цилиндрического подшипника имеют фаски на торцах. Для подшипников на горячей посадке ролики с 1973 г. изготавливаются с рациональным контактом с поверхностью дорожек качения колец — так называемой «бомбиной». Конические роликовые подшипники на железных дорогах находят применение в кассетных буксах.

Рисунок 4 а- букса грузового вагона с двумя цилиндрическими подшипниками на горячей посадке с торцевыми креплением гайкой; б-букса пассажирского вагона с двумя цилиндрическими подшипниками на горячей посадке с торцевыми креплением тарельчатой шайбой;1-копус буксы;2-передний подшипник;3-задний подшипник;4-лабиринтная часть корпуса;5-лабириетное кольцо;6-болт М12;7-уплотнительное кольцо;8-крепительная крышка; 11-коринчатая гайка М110;12-болт М12;13-стопорная планка;14-торцевая шайба;15-стопорная шайба;16-болт М12 для крепления смотровой шайбы.

3.2 букса с втулочной посадкой

В буксах грузовых и пассажирских вагонов применяют подшипники на глухой посадке, а небольшое количество подшипников в буксах грузовых вагонов прежних лет — на втулочной. Преимуществами букс на глухой подшипниковой посадке являются:

§ снижение массы буксы вследствие отсутствия втулки и уменьшения габаритных размеров подшипника;

§ сокращение почти в 5 раз затрат труда на монтаж и демонтаж подшипников, а в связи с этим в два с половиной раза снижение эксплуатационных затрат на ремонт букс.

Однако при таком способе посадки нередко наблюдается потеря натяга и для успешного его применения требуется соблюдение некоторых условий:

§ обеспечения стабильности размеров внутренних колец;

§ применения повышенных натягов;

§ обеспечения длительной эксплуатации букс без снятия внутренних колец с шеек оси;

§ применения нагревателей, обеспечивающих снятие внутренних колец с шеек оси без перегрева и повреждения шеек.

Втулочная посадка позволяет расширить поле допусков на размеры шейки оси и отверстия внутреннего кольца, что упрощает технологию монтажа буксы; она не требует индивидуального подбора подшипников к шейке оси по натягу. Между тем, втулочная посадка обладает существенными недостатками: втулка, являясь дополнительной деталью, повышает стоимость подшипника, так как изготовить внутреннее кольцо с конусным отверстием более сложно, особенно если учесть требование строгого совпадения конусности кольца и закрепительной втулки. На железных дорогах России получили наибольшее распространение буксы на горячей посадке подшипников вследствие их преимуществ.

4. Анализ конструкций буксовых узлов с различными типами подшипников

Букса с двумя цилиндрическими подшипниками диаметром 250 мм.

-цельнометаллических пассажирских вагонов

Букса с одним сферическим и одним цилиндрическим подшипниками диаметром 280 мм. На втулочной посадке -цельнометаллических пассажирских вагонов- грузовых вагонов

Букса с одним сферическим и одним целиндрическим подшипниками диаметром 300 мм. На втулочной посадке-цельнометалических пассажирских вагонов.- грузовых вагонов

В эксплуатации находяться и вагоны поездов с Машиным охлаждением на подшипниках с такими же габаритными размерами с установкой в буксы двух сферических подшипников ТОЯ 140х300 или 22328К, у которых ролики имеют форму симметричной бочки.

При принятии типа буксы для массового оборудования вагонов наряду с долговечностью должны быть также обеспечены технологичность конструкции , т. е. простота и легкость монтажа, демонтажа, промывки и осмотра деталей буксового узла, а также экономичность. Наиболее экономичны цилиндрические подшипники на горячей посадке более просты и удобны в технологическом отношении для массового производства, и стоимоть их ниже сферических. Кроме того по сравнению со сферическими они имеют большую долговечность и при испытаниях их на стендах показывают меньший момент трения на 20- 25 %.1.1 Устройство роликовых подшипников и их типы.В вагонных буксах применяются реальные подшипники:а) с короткими цилиндрическими роликами однорядные с однобортовым внутренним кольцом на глухой подшипниковой так называемой горячей посадке; б) с короткими цилиндрическими роликами однорядные с безбортовым внутренним кольцом и плоским упорным кольцо на глухой подшипниковой так называемой горячей посадке; в) с короткими цилиндрическими роликами однорядные на закрепительных втулках .

Каждый подшипник состоит из внутреннего 3 и наружного колец между последним находится ролики 2, удерживаемые в сепараторе 4 на одинаковом расстоянии друг от друга.Сепаратор может опираться на борта внутреннего или наружного кольца или на ролики. Поворачиваясь вместе с осью, внутренние кольцо увлекает за собой ролики, каждый из которых вращается вокруг своей оси и перекатывается между наружным и внутренним кольцом по дорожкам качения. Свободное перемещения роликов обеспечивается радиальным и осевым зазорами, а так же осевым рубежом))(( Радиальный зазор измеряется в свободном от нагрузки подшипника и является суммой зазоров между дорожками качения колец и роликов, а осевой — между бортами наружных колец и роликов.))У роликовых подшипников в зависимости от конструкции буксы нагрузку воспринимают 5-6 роликов , находящихся сверху примерно на 1/3 длины окружности наружного кольца подшипника.Цилиндрические подшипники радиальными роликовыми подшипниками с короткими цилиндрическими роликами ( цилиндрические подшипники) называются такие, у которых отношения длины ролика к его диаметру равно или меньше двух.

Цилиндрический подшипник представляет собой разъемную конструкцию, у которой одно из колец ( внутреннее или наружное ), сепаратор и ролики соединены в один неразъемный блок. Такие подшипники , имеющие один ряд роликов, бывают открытые, закрытые и полузакрытые. Подшипники двух последних видов, кроме радиальной нагрузки, могут воспринимать и осевую.

Подшипники открытого вида на одном из колец бортов не имеют, вследствие чего у них не ограничивается взаимное перемещение наружного и внутреннего колец , а также шейки оси и корпуса буксы. Подшипники закрытого вида имеют борта на внутреннем и наружном кольцах (один борт приставной) , чем ограничивается их взаимное перемещение и соответственно перемещение шейки оси и корпуса буксы в пределах осевого разбега. Подшипник полузакрытого вида, имея только один борт на одном из колец или плоское упорное кольцо, воспринимая осевые нагрузки, действующие только в одном направлении .

Применение беззаклепачных сепараторов в цилиндрических подшипниках повышает работоспасобность в условиях высоких динамических нагрузок и улучшает условия смазывания рабочих поверхностей роликов и колец.

Сферические подшипники. Радиальные роликовые сферические двухрядные подшипники ( сферические подшипники) представляют собой конструкцию, в которой внутреннее и наружнее кольца , а также ролики соединены между собой при помощи сепаратора в один блок. Такие подшипники, обладая большой грузоподъемностью, предназначены для восприятия радиальных и значительных осевых нагрузок. При действии осевой нагрузки ограничиваются взаимное перемещения колец , а также шейки оси и менее чувствительны к ударным нагрузкам. Сферические подшипники имеют 2 ряда роликов , размещенных в отдельных сепараторах. Каждый ряд работает самостоятельно . Поверхность качения роликов сферическая, очерченная одним радиусом. Поверхность качения бывает в виде несимметричной (конусной) и симметричной бочек. Ролики с формой несимметричной бочки сужены в сторону от среднего борта внутреннего кольца ( внешняя сторона подшипника).

Диаметр торца , обращенный к среднему борту ( базовый торец) , больше диаметра торца противоположной стороны ролика.При выполнении этого условия уменьшается проскальзывание роликов во время работы. Наибольший диаметр ролика смещен от середины в сторону базового торца и расположен от него на расстоянии . Контакт сферического ролика с дорожной качения наружного кольца происходит по условному диаметру контакта , который расположен от базового торца ролика на расстоянии , где — длина ролика .Ролики с формой симметричной бочки имеют одинаковые диаметры по торцам .У таких роликов наибольший диаметр расположен в среднем сечении. На внутреннем кольце имеются две дорожки качения, между которыми расположен средний направляющий борт, выполненный за одно целое с кольцом. Вследствие того радиус кривизны поверхности дорожек качения наружного кольца у подшипников с формой роликов несимметричной бочки превышает радиус продольной кривизны ролика и благодаря сферической форме поверхности роликов обеспечиваются самоустанавливаемость подшипника и нормальные условия. Металл роликовых подшипников должен обладать высоким пределом упругости и сопротивлением усталости, т.к. подшипники работают в условиях многократного переменного напряжения сжатия. Подшипниковая сталь должна иметь однородную структуру, обладать хорошей обрабатываемостью резанием и не быть хрупкой. Для роликовых подшипников сталь изготовляется в электропечах или мартеновских. Отожженная горячокатанная и холоднотянутая сталь в состоянии поставки должна иметь твердость в пределах 170-207 единиц по Бринеллю (диаметр отпечатка 4,2-4,6мм)Сепараторы сферических подшипников изготовляются на отечественных заводах из латуни марок ЛС59-1, Л62 Пт (ГОСТ931-70) и модифицированного чугуна, а цилиндрических — из латуни марок ЛС59-1, из стали марок 08, 10, 30 (ГОСТ 1050-60), модифицированного чугуна или специального литья.Имеются в эксплуатации беззаклепочные сепараторы из стали марок 08 и 10 ( ГОСТ1050-60), ковкого чугуна , из сплава алюминия и металлопластмасс.

Тезис