Классификация и особенности устройства вагонных букс

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. 
  Буксы с подшипниками скольжения подразделяют в зависимости от типа подшипника — с двух- и трехслойным 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. 
Оснащение вагонов буксами с подшипниками качения обеспечивает важные преимущества по сравнению с буксами, оборудованными подшипниками скольжения. Основными из них являются: снижение отказов примерно в 10 раз в связи с резким снижением случаев перегрева букс, в результате чего увеличиваются скорости движения поездов и ускоряется оборот вагонов; уменьшается сопротивление движению на 20 % при скоростях 60—70 км/ч, а при трогании с места — в 7—10 раз; сопротивление движению не зависит от времени стоянки поезда и низкой температуры окружающей среды; сокращается расход топлива и электроэнергии локомотивами до 10 %, расход смазки уменьшается примерно в 5 раз; исключается расход подбивочных материалов и баббита; отпадает необходимость в штате станционных смазчиков и в сезонных перезаправках букс, сокращается штат слесарей и осмотрщиков, а также количество пунктов технического обслуживания вагонов; ликвидируется буксосмазочное хозяйство и обслуживающий его персонал и др. Важным преимуществом перевода вагонов на роликовые подшипники является улучшение экологии и социальных условий работников вагонного хозяйства. В настоящее время в России почти 100 % грузового вагонного парка и все пассажирские вагоны оборудованы буксами с подшипниками качения. Основными требованиями, предъявляемыми к буксам, являются: обеспечение надежности, безотказности и долговечности работы в экстремальных условиях эксплуатации в течение установленного срока службы; простота выполнения операций по монтажу и демонтажу буксовых узлов при ремонте; надежная герметизация буксового узла от попадания пыли и влаги; обеспечение взаимозаменяемости и унификации деталей и др. Буксы проектируют так, чтобы равнодействующая нагрузка проходила через середину шейки оси. Благодаря этому не возникает дополнительных напряжений в расчетных сечениях оси. 
  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 (рис. 3.17, а); однорядные с безбортовым внутренним кольцом и плоским приставным упорным кольцом. 
  В буксах вагонов прежних лет постройки использовали двухрядные сферические роликовые подшипники на втулочной посадке (рис. 3.17, б). Подшипники состоят из наружного 1 и внутреннего 3 колец, роликов 2 и сепараторов 4. 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 цилиндрических роликовых подшипников в 6—8 раз выше, чем сферических, при равных габаритах и одинаковой радиальной нагрузке 
Ролики цилиндрического подшипника имеют сфаски 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. 
В буксах грузовых и пассажирских вагонов применяют подшипники на глухой посадке, а небольшое количество подшипников в буксах грузовых вагонов прежних лет — на втулочной (табл. 3.5).

 
  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.

3.2. Буксы  с роликовыми подшипниками грузовых  вагонов 
  Современная типовая букса с двумя цилиндрическими роликовыми подшипниками для любого типа грузового вагона может иметь два вида торцевого крепления внутренних колец от продольного сдвига — торцовой корончатой гайкой или тарельчатой шайбой. 
  Букса с торцевым креплением гайкой (рис. 3.18, а, б) имеет корпус 1 с челюстями 15, в котором размещены передний 2 и задний 3 подшипники с короткими цилиндрическими роликами. Со стороны колеса корпус закрыт лабиринтным уплотнением 4 (съемный лабиринт) и 5 (лабиринтное кольцо), а впереди — крепительной 8 и смотровой 10 крышками с болтами 6 и шайбами 9. Крепительная крышка из стали или алюминиевого сплава прочно удерживает наружные кольца роликовых подшипников 2 и 3 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 77, стопорной планкой 13 и болтами 12. Между корпусом буксы 7 и крепительной крышкой 8 с крепительными болтами 16 установлено уплотнительное кольцо 7, обеспечивающее герметизацию буксового узла. 
  Внутренняя полость буксы заполнена консистентной смазкой, обеспечивающей надежную работу подшипников в сложных условиях их нагружения. Другой вариант торцевого крепления внутренних колец подшипников отличается следующими особенностями (см. рис. 3.18, в). К торцу шейки оси тремя или четырьмя (варианты) болтами 21 крепится тарельчатая шайба 17, которая своими выступающими краями нажимает на приставное кольцо 18 и прочно закрепляет внутренние кольца подшипников 19 и 20 на шейке оси 14, удерживая их от продольного сдвига при действии осевых нагрузок. Такое крепление обладает повышенной надежностью в эксплуатации.

 
 
Корпус буксы в грузовых вагонах  может изготавливаться из стали  или алюминиевого сплава. Стальной корпус буксы представляет собой  отливку из стали марок 20ФЛ, 20ГЛ. С целью получения мелкозернистой структуры отливки корпуса подвергаются термической обработке. 
На Уралвагонзаводе разработана букса с упругими элементами (рис. 3.19), включающая резиновые прокладки для смягчения радиальных 1 и осевых 2 нагрузок. Нижняя часть корпуса отсутствует, поэтому связь лабиринтной части 6 и крепительной крышки 3 снизу осуществлено болтом 5. Герметизация внутренней полости буксы достигнута с помощью уплотнительных прокладок 4, на верхнюю часть корпуса 7 опирается рама тележки.

 
 
В потолке корпуса буксы имеется  несквозное отверстие с резьбой  М16 х 1,5 мм, 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, воспринимающего повышенные осевые нагрузки, возникающие при высокой скорости движения до 200 км/ч и более. Подобными буксами оснащаются вагоны скоростных поездов отечественных и зарубежных железных дорог. 
Например, скоростные поезда «Аврора» оборудованы опытными буксами (рис. 3.22) с двумя цилиндрическими подшипниками 2 и 3 и радиальным шариковым 4. 
Усовершенствованная тележка грузового вагона оснащена буксами (рис. 3.20) с цилиндрическими роликовыми подшипниками 5 размером 130 х 250 х 80 мм и корпусами букс 1 цилиндрической формы. На верхнюю часть корпуса буксы 1 уложена резиновая прокладка 4 переменной толщины, способствующая более равномерному нагружению роликов подшипника и повышению надежности работы буксового узла. Закрепление резиновой прокладки осуществлено специальными буртами 6 корпуса буксы 1. На буксу сверху опирается рама тележки 2, буксовые проемы которой выполнены таким образом, что позволяют устанавливать съемные седла 3. Центрирование и фиксация седла в буксовом проеме рамы 2 тележки осуществлено благодаря специальным выступам 7, входящим в выемки, выполненные на челюстях рамы. Через эти съемные седла рама непосредственно опирается через резиновые прокладки 4 на корпус буксы 1. Приведенные выше конструкции букс с упругими элементами позволяют повысить динамические качества вагона и улучшить взаимодействие ходовых частей и железнодорожного пути.

3.3. Буксы  с роликовыми подшипниками пассажирских  вагонов 
 Особенность конструкции буксы пассажирского вагона заключается в том, что в нижней части корпуса (рис. 3.21) отлиты заодно с ним кронштейны 1 с отверстиями 2 для пропуска шпинтонов, укрепленных на раме тележки. Кронштейны предназначены для размещения пружин буксового подвешивания. Свод корпуса буксы имеет переменное сечение для рационального распределения нагрузок на ролики цилиндрических подшипников. Передняя часть корпуса позволяет устанавливать редукторно-карданный привод подвагонного генератора.

 
 
  В потолке корпуса буксы  имеется несквозное отверстие  с резьбой М16 х 1,5 мм, 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, воспринимающего повышенные осевые нагрузки, возникающие при высокой скорости движения до 200 км/ч и более. Подобными буксами оснащаются вагоны скоростных поездов отечественных и зарубежных железных дорог.

 
  Например, скоростные поезда «Аврора» оборудованы опытными буксами (рис. 3.22) с двумя цилиндрическими подшипниками 2 и 3 и радиальным шариковым 4, воспринимающим осевые нагрузки. В целях взаимозаменяемости применен корпус серийного производства, букса монтируется на стандартную ось. Конструктивной переработке подвергнуты осевая гайка 6, детали ее стопорения и основная крышка 5. 
Благодаря большому зазору между гайкой и внутренним кольцом шариковый подшипник не должен воспринимать радиальные нагрузки. Наружное кольцо шарикового подшипника 4 посажено по скользящей посадке в корпус буксы 7 и в специальную крышку 5, которая прижимает подшипник 4 к наружному кольцу цилиндрического подшипника 3.

3.4. Смазочные материалы, применяемые в буксах 
  Надежность работы буксы во многом зависит от качества смазывания подшипников. С 1973 г. для буксовых узлов с роликовыми подшипниками применяется консистентная смазка ЛЗ-ЦНИИ, обеспечивающая противоизносные, противокоррозионные и противозадирные явления в процессе интенсивного нагружения подшипников в эксплуатации. 
  Однако при попадании в буксу воды до 5% качество смазки ухудшается, что снижает работоспособность подшипников, т.к. происходит схватывание торцов роликов с бортами колец, износ центрирующей поверхности сепаратора, а также наблюдаются коррозионные повреждения и др. В связи с этим испытаны новые смазки для роликовых подшипников со специальными химически активными присадками, обладающие более высокой стабильностью свойств в процессе работы буксового узла. Этим требованиям отвечает модифицированная универсальная смазка на литиевой основе под условным названием «Литол», разработанная во ВНИИЖТе. 
  Для повышения надежности вагонных букс с 1995 г. организован выпуск роликовых подшипников с сепаратором из полиамида, масса которого в 10 раз меньше латунного, что, наряду с заменой меди, обеспечивает снижение инерционных нагрузок, действующих на его узлы. В результате появилась возможность выполнить более тонкой перемычку сепаратора и разместить в подшипнике 15 роликов вместо 14, что позволит увеличить его долговечность почти на 20%, а несущую радиальную и осевую грузоподъемность на 9—10%. Применение полиамидных сепараторов способствует повышению класса шероховатости поверхностей скольжения (торцов роликов) подшипников, что приводит к значительному росту несущей их способности при действии аксиальных нагрузок. Кроме того, повышается ресурс работы смазки благодаря уменьшению скорости ее окисления в процессе эксплуатации.