Буксовая направляющая с элементами качения

УДК 631.3

, ,

БУКСОВАЯ НАПРАВЛЯЮЩАЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ КАЧЕНИЯ

Исследована возможность использования опор возвратно-поступательного движения с элементами качения в буксовых направляющих подвижного состава железных дорог.

Ключевые слова: опора, возвратно-поступательные движения, буксовая направляющая, элементы качения.

Опоры с высшими кинематическими парами повышенной износостойкости при определенных значениях геометрических параметров (высота стойки L и радиусы вогнутых и выпуклых поверхностей R и r) могут быть использованы как направляющие с односторонним или двухсторонним ограничением [1].

Основы теоретических исследований. Рассмотрим теоретические положения [1] к разработке буксовых направляющих для локомотивов и вагонов с элементами качения, принципиально отличных по конструкции и принципу работы от используемых до сих пор. Из известных конструкций буксовых направляющих широкое распространение получили челюстные, цилиндрические и подковные с резинометаллическими шарнирами. Каждая конструкция имеет положительные качества и недостатки. К недостаткам челюстных направляющих относится абразивное изнашивание, цилиндрических направляющих – сложность конструкции, резинометаллических шарниров – существенное увеличение жесткости рессорного подвешивания и некоторые менее существенные недостатки.

Рис. 1. Расчетная схема буксового узла для грузового вагона

На рис. 1 изображен буксовый узел, в котором букса смещена вверх на величину от номинального положения. Букса 1 установлена на ось колесной пары. Вертикальные силы передаются от рамы тележки 2 на буксу пружинами 3, расположенными над буксой. В горизонтальном направлении вдоль боковины букса связана с рамой тележки двумя поводками 4. Каждый поводок состоит из штанги 5 с выпуклыми цилиндрическими поверхностями радиуса r на торцах, опирающимися на вогнутые поверхности радиуса R, сухаря 6, установленного на буксе, и упора 7, укрепленного на кронштейне рамы тележки.

Длина штанги по оси симметрии равна L. Для удержания штанги от падения и исключения проскальзывания поверхностей радиусов R и r (если угол сцепления превысит угол трения) предусмотрены цилиндрические поверхности на штангах радиуса ρ с центрами в точках пересечения поверхностей радиуса r с осью симметрии [2]. Эти поверхности поворачиваются внутри пазов деталей 6 и 7. Рамные силы передаются через контактирование боковых поверхностей штанги с сухарем на буксе и упором на раме тележки.

Работает буксовая направляющая следующим образом. При вертикальных колебаниях рамы тележки выпуклые поверхности штанги 5 перекатываются по вогнутым поверхностям сухаря 6 и упора 7.

Боковые колебания рамы тележки относительно продольной горизонтальной оси (боковая качка) обеспечиваются возможностью поворота сухаря 6 относительно буксы (показано на правом поводке на рис. 1).

Рассмотрим левый поводок. При этом примем, что рама тележки неподвижна, а букса совершает вертикальные колебания. Для описания траекторий точек , и при колебаниях верхней плиты опоры одинаковыми формулами [1] применена нетрадиционная система координат: горизонтальная ось обозначена буквой у, вертикальная – х (рис. 1).

Запишем известные формулы [1].

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

. (5)

Упростим формулу (4):

.

Следует обратить внимание на то, что длина штанги L равна двум приведенным эквивалентным радиусам , от величины которых зависит контактная прочность соединения. Очевидно, что начинать проектирование необходимо с расчета соединения на контактную прочность, по результатам которого вычисляется длина штанги L. По этому параметру затем определяются остальные размеры. Следовательно, длина штаги L является важным геометрическим параметром, особенно при проектировании транспортных машин.

Далее рассматриваем только буксовую направляющую. Обозначим отношение буквой п. Тогда радиус выпуклой поверхности можно выразить через длину штанги L следующим образом:

.

Запишем формулы (1), (2), (3) и (5) в следующем виде:

; (6)

; (7)

; (8)

. (9)

Рассмотрим частные случаи.

Случай 1. , .

Формулы (6-9) упростятся и запишутся в следующем виде:

;

;

;

.

Так как (постоянная величина), то точка S будет совершать колебания по вертикальной прямой. Аналогично такая же точка на втором поводке будет совершать колебания по вертикальной прямой. Следовательно, центр буксы будет совершать вертикальные колебания. Поскольку при , то линия, соединяющая точки контакта и , будет всегда горизонтальной. Силы, передающиеся от буксы на раму тележки по линии , не будут оказывать влияния на вертикальные колебания.

Случай 2. , .

Формулы (6-9) преобразуются и запишутся следующим образом:

;

; (10)

;

.

Случай 3. , .

Формулы (6-9) запишем в измененном виде:

;

; (11)

;

.

Как видно из формул (10) и (11), траектории движения точек S во втором и третьем частных случаях отклоняются от вертикальной прямой. Величину отклонения можно определить по выражению

.

Для трех рассмотренных частных случаев рассчитаны: вертикальная координата перемещения буксы относительно рамы тележки , величина зазоров , тангенс угла . Для всех случаев L = 100 мм, . Для частного случая 1 в общем виде установлено, что координата и равны нулю. Следовательно, . Кроме того, предварительными расчетами доказано, что в частном случае 2 возрастает от нуля до . На работу направляющей такие значения не влияют, поэтому ими можно пренебречь. По результатам расчетов составлена таблица, в которую значения для первого случая и для всех трех случаев не введены.

Таблица

Координата xS (мм), отклонение точки S от вертикали Dy (мм) и

в зависимости от угла

0	0	0	0	0	0	0	0	0
5	8,7	0,09	9	0	0,04	12	0	0,18
10	17	0,18	17	0	0,09	17	0,01	0,36
15	26	0,27	26	0	0,13	26	0,03	0,58
20	34	0,36	35	0,015	0,17	34	0,12	0,82
25	42	0,47	43	0,038	0,22	40	0,29	1,16
30	50	0,58	51	0,08	0,26	48	0,59	1,67

Анализ формул в общем виде и частных случаях, а также результатов расчетов (таблица) позволяет сделать следующие теоретические выводы:

1. Координаты точки S (xS и yS) зависят от двух параметров: длины штанги и угла ее поворота . На величину углов и длина штанги не влияет. Уменьшить угол можно увеличением длины штанги .

2. Перемещения буксы при одинаковых и для всех трех случаев отличаются несущественно.

3. Отклонения координаты от вертикали () и угла допустимы для практического применения.

4. С учетом изменения угла сцепления можно рекомендовать для практического использования первый и второй частные случаи, а также промежуточные значения параметров. Третий частный случай для буксовых направляющих недопустим.

Расчет и проектирование буксового узла. Результаты теоретических исследований использованы для расчета основных параметров буксовых направляющих двухосной тележки скоростного грузового вагона с двухступенчатым рессорным подвешиванием. В первой ступени подвешивания предусмотрена повышенная жесткость, чтобы при всех скоростях движения (вплоть до максимальной) частота колебаний тележки не достигала резонансной. Первая ступень подвешивания расположена над буксами.

В предлагаемой буксовой направляющей принято: длина штанги мм, радиус вогнутых поверхностей мм, выпуклых – мм. Так как , точка S перемещается по вертикали без отклонения, перекатывание в парах качения происходит без скольжения.

В первой ступени подвешивания средняя амплитуда колебаний находится в пределах 15…20 мм. Положение рамы тележки по вертикали относительно буксы при статическом равновесии изменяется при переходе с груженого режима в порожний и обратно. С учетом этого суммарную амплитуду принимаем равной 35мм, среднюю – 25 мм.

Рис. 2. График зависимости tg g от перемещения буксы xS

На рис. 2 построен график зависимости изменения от перемещения буксы для предлагаемой направляющей. Согласно этому графику, при амплитуде 25 мм (меньше коэффициента трения). Случайные скачки амплитуды более 25 мм и кратковременные увеличения , превышающие коэффициент трения в зоне качения, будут удерживаться замыкателями касательных сил.

Наряду с описанным вариантом буксовой направляющей разработана направляющая для локомотивов и пассажирских вагонов с увеличенным статическим прогибом рессорного подвешивания в первой ступени и буксой с нижним расположением крыльев под пружины. Пружины в этом случае проходят через отверстия в штангах поводков, в связи с чем длина штанги L увеличена до 300 мм. Увеличена также ширина штанги.

Так как амплитуда колебаний существенно не изменилась, увеличение длины штанги привело к уменьшению угла ее поворота , а следовательно, и угла .

Таким образом, проведенные теоретические исследования и предварительные конструкторские проработки доказали возможность создания буксовых направляющих с элементами качения повышенной износостойкости.

Список литературы

1.  Аксютенков, возвратно-поступательного движения с высшими кинематическими парами / , , //Вестн. БГТУ. – 2009. - №2. – С. 49-52.

2.  Аксютенков, диапазона характеристик в опорах с высшими кинематическими парами / , , //Вестн. БГТУ. – 2010. - №1. – С. 31-35.

Материал поступил в редколлегию 11.10.10.