Глава 3 БУКСЫ
Назначение и классификация букс
Буксы подвижного состава служат для передачи нагрузки от рамы вагона или тележки на шейки осей и для ограничения продольных и поперечных перемещений колесной пары при движении вагона. Кроме того, букса является резервуаром для смазки, ее конструкция должна обеспечивать защиту внутренней полости от загрязнения, обводнения и не допускать вытекания смазки.
Конструкции вагонных букс весьма разнообразны и зависят от типа оси,
применяемых подшипников, вида смазочных и других устройств. Все их можно подразделить на две основные группы: буксы с подшипниками трения качения (см. рис. 3.2) и буксы с подшипниками трения скольжения (см. рис. 3.5).
Буксы нетележечных вагонов размещаются между направляющими буксовых лап, а тележечных — между буксовыми челюстями, входящими в пазы корпуса буксы. В поясных тележках грузовых вагонов буксы наглухо прикреплены к раме тележки при помощи буксовых болтов.
Буксы должны обладать достаточной прочностью, обеспечивать непрерывную подачу необходимого количества смазки на трущиеся поверхности, удобство осмотра, монтажа и демонтажа деталей буксового узла.
Буксы проектируются так, чтобы равнодействующая нагрузок на шейку оси проходила вертикально через ее середину.
В зависимости от конструкции буксового рессорного подвешивания нагрузка на корпус буксы может передаваться различно. Наиболее распространена в грузовых вагонах непосредственная нагрузка корпуса буксы сверху. При этом загружается только потолок корпуса буксы.
В настоящее время 35—38% вагонов магистрального грузового парка железных дорог СССР оборудовано буксами с подшипниками качения (роликовыми). Буксы с подшипниками скольжения сохранились в вагонах постройки прошлых лет.
Широкое внедрение на железнодорожном транспорте СССР прогрессивных видов тяги (электрической и тепловозной) позволило значительно удлинить участки безостановочного движения поездов, увеличить их массу и скорости движения. Однако этому препятствовали несовершенные конструкции подшипников трения скольжения.
Поэтому возникла настоятельная необходимость перевести подвижной состав на подшипники трения качения (роликовые).
Опыт эксплуатации вагонов, оборудованных роликовыми подшипниками, показал их техническую и экономическую целесообразность, так как при этом снижается сопротивление движению и, как следствие, уменьшается расход топлива или электроэнергии локомотива; почти полностью отсутствуют случаи горения букс при повышении скоростей движения и удлинении безостановочных пробегов; значительно сокращается объем работ по обслуживанию букс в эксплуатации, что позволяет ликвидировать штат станционных смазчиков, сократить значительное число слесарей и осмотрщиков на пунктах технического обслуживания и уменьшить число пунктов технического обслуживания на сети железных дорог страны; значительно уменьшить расход цветных металлов, смазочных материалов и полностью исключить расход подбивочных материалов.
Буксы с роликовыми подшипниками
В практике отечественного вагоностроения используются роликовые подшипники двух типов: с цилиндрическими короткими роликами (рис. 3.1,а) и со сферическими роликами — самоустанавливающиеся двухрядные (рис. 3. 1,6). Наибольшее распространение получили подшипники с цилиндрическими роликами. Подшипники обоих типов состоят из наружных колец 1, роликов 2, внутренних колец 3 и сепараторов 4. С 1961 г. подшипники выпускают с надежными беззаклепочными сепараторами с прошивными окнами.
Как показал опыт эксплуатации, долговечность цилиндрических роликовых подшипников в 6—8 раз выше, чем сферических при одинаковых габаритных размерах. Долговечность подшипников определяется главным образом контактными напряжениями в месте соприкосновения роликов и наружных колец подшипников, а не возможностью самоустановки сферических подшипников в буксах вагонов, что часто считалось преимуществом этих подшипников.
Цилиндрические роликовые подшипники хуже воспринимают осевые нагрузки, чем сферические. Однако длительный опыт их эксплуатации показал, что при соблюдении ряда требований цилиндрические подшипники способны надежно воспринимать осевые нагрузки. Эти требования следующие: разность длин роликов в одном подшипнике и торцовое биение роликов должны быть не более 10 мкм, отклонение торцов бортов от перпендикуляра к образующей дорожки качения в сторону «розвала» (угол>90°) должно быть от 10 до 20 мкм и пр.
Цилиндрические роликовые подшипники проще в изготовлении, легче и дешевле сферических.
Для массового оборудования грузовых вагонов в качестве типовых приняты буксовые узлы с установкой двух цилиндрических роликовых подшипников (рис. 3.2) с размерами 130Х250Х Х80 мм (где 130 мм — диаметр шейки оси, 250 мм — наружный диаметр подшипника и 80 мм — ширина подшипника на горячей безвтулочной посадке). Такие буксовые узлы состоят из корпуса буксы 2, крепительной крышки 1, двух подшипников 3, торцовой гайки 5, смотровой крышки 6. Букса уплотняется четырехкамерным лабиринтом, расположенным в корпусе буксы, и лабиринтным кольцом 4 с радиальным зазором 0,8 мм.
Характерной особенностью принятого варианта буксового узла является установка подшипников вплотную друг к другу без промежуточных дистанционных колец [6].
Рис. 3.1. Роликовые подшипники: а — с короткими цилиндрическими роликами; б — со сферическими роликами.
Рис. 3.2. Буксовый узел с подшипниками качения.
Для соединения роликовых подшипников с шейкой оси и корпусом буксы применяются втулочная посадка на конической закрепительной втулке и безвтулочная — на горячей посадке.
Втулочная посадка подшипника на шейку оси (рис. 3.3) обеспечивается с помощью конусной разрезной закрепительной втулки 5, которая, являясь деталью подшипника (1 — наружное кольцо; 2 — ролики; 3— сепаратор; 4 — внутреннее кольцо), запрессовывается между шейкой оси 6 и внутренним кольцом 4 подшипника.
Втулочная посадка не требует индивидуального подбора подшипников к шейке оси по натягу и позволяет расширить поле допуска на монтажные размеры шейки оси (80 мкм против 27 мкм при горячей посадке) и отверстия внутреннего кольца роликового подшипника, что упрощает технологию изготовления подшипников.
Рис. 3.3. Втулочная посадка подшипника.
Однако втулочная посадка обладает и рядом существенных недостатков. Прежде всего она является дополнительной деталью буксы, повышает стоимость подшипника, усложняет изготовление внутреннего кольца с конусным отверстием; наличие второй дополнительной пары сопрягаемых деталей требует более тугой посадки, что вызывает повышенные напряжения в кольце подшипника и шейки оси.
Коническое отверстие внутреннего кольца подшипника, обусловленное коничностью закрепительной втулки, придает кольцу переменную жесткость. Вследствие этого даже при очень точном сопряжении втулки и кольца форма беговой дорожки будет искажаться, а это вызывает скольжение роликов и неравномерное распределение контактных давлений, вследствие чего быстрее образуются очаги усталостных разрушений металла роликов и беговых дорожек.
Горячая посадка получила широкое применение для цилиндрических роликовых подшипников, у которых внутреннее кольцо может устанавливаться на шейку оси и сниматься с нее отдельно от других деталей подшипника. Она обеспечивается за счет натяга, который получается от разности диаметров шейки оси и внутреннего кольца подшипника.
Диаметр цилиндрического отверстия внутреннего кольца до нагрева должен быть меньше диаметра шейки оси на величину натяга. При нагреве кольцо расширяется и без усилия надевается на шейку оси, а после остывания оно плотно охватывает ее. Возникающие при этом силы сцепления удерживают кольцо от проворачивания на шейке оси во время эксплуатации.
При горячей посадке почти в пять раз сокращаются затраты труда на технологические операции при монтаже и демонтаже букс, в результате чего в два с половиной раза уменьшаются трудоемкость и эксплуатационные расходы на ремонт букс.
В процессе эксплуатации возможна потеря натяга. При этом размеры внутренних колец могут увеличиться, и кольцо будет проворачиваться на шейке оси. Это осложняет эксплуатацию подвижного состава с роликовыми подшипниками и является недостатком такой посадки.
Горячая посадка может быть успешно применена, если: обеспечена стабильность размеров внутренних колец; применены повышенные натяги, исключающие образование коррозии трения на посадочных поверхностях колец и шеек осей; обеспечена длительная эксплуатация букс без съема внутренних колец подшипников с шеек осей; применены индукционные нагреватели, обеспечивающие снятие внутренних колец подшипников с шеек без повреждения посадочных поверхностей и перегрева колец.
Посадку новых внутренних колец на шейку оси производят с натягом 40— 65 мкм. При посадке на шейку колец, бывших в эксплуатации, натяг 30 мкм.
Торцовое крепление подшипников осуществляется гайкой или шайбой.
Гайка 1 торцового крепления (рис. 3.4,а) имеет отверстие с резьбой 2 для навинчивания на торец шейки оси. Наружный торец гайки имеет вырез для закрепления ее стопорной планкой 4 на торце шейки оси. Стопорная планка фиксируется двумя болтами 5 с пружинными шайбами 3.
Шайба торцового крепления (рис. 3.4,б) подшипников имеет бурт 7 и три отверстия 6 для крепления ее на торце шейки оси болтами.
Как показал опыт, торцовое крепление гайкой более надежно, но дороже в изготовлении. Применение торцовой шайбы удешевляет конструкцию, однако такое крепление в эксплуатации себя не оправдало и поэтому в буксовых узлах серийного изготовления принято крепление торцовой гайкой.
На торце шейки оси имеется кольцевая поверхность шириной 20 мм, позволяющая осуществлять ультразвуковой контроль шейки оси без снятия внутренних колец.