Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
Выбрана оптимальная конструкция унифицированной рычажной передачи для тележек двухосных типа 2 и типа 3 (ГОСТ 9246-2013) с расположением цилиндров 670В на тележке, разработана схема ее регулировки в эксплуатации. С помощью подробной 3D-модели выбранной тормозной системы разработаны схема регулировки и таблица монтажных размеров тормозной системы в эксплуатации для колодки толщиной 60±4 мм. Рассмотренная конструкция рычажной системы предложена в качестве прототипа для проектирования тормозной системы грузовых вагонов.
рычажная передача, тормозной цилиндр, тормозная колодка, износ колеса, суммарный выход штока и винта, потележечное торможение, грузовой вагон
Введение
В настоящее время рассматривается внедрение на отечественных железных дорогах потележечного торможения с установкой тормозных цилиндров в зонах тележек или непосредственно на тележках [1-3]. В РФ также появляются адаптированные к российским условиям зарубежные тормозные системы и соответствующие ходовые части. Отечественные тормозные системы представлены большей частью конструкторскими проработками и изобретениями.
Расположение цилиндров на тележках имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными тормозными системами: унификация тормозов для значительного количества вагонов (удобство при изготовлении, обслуживании и ремонте), освобождение подвагонного пространства. Кроме того, такие схемы содержат меньшее количество шарнирных соединений, чем в традиционных схемах, что повышает надежность системы и КПД. Также новые схемы рычажных передач могут позволить увеличить толщину применяемых колодок. В частности, согласно исследованиям [4], существующая конфигурация рычажной передачи грузовой тележки наиболее оптимально подходит для колодок максимальной толщиной 50+
В связи с этим разработка прототипа такой системы для отечественных типовых тележек, соответствующих требованиям и условиям российских железных дорог, является актуальной. Причем применение в таких системах отечественных тормозных приборов предпочтительно.
Для решения этой задачи были разработаны две тормозные системы [5-7]. Обе схемы предполагают применение типовых отечественных грузовых тележек и тормозных цилиндров 670В (со встроенным авторегулятором). В данной работе рассмотрим эти модели и определим оптимальную, которая будет предложена к разработке в качестве прототипа.
Определение оптимальной конструкции унифицированной рычажной передачи для тележек двухосных типа 2 и типа 3 (ГОСТ 9246-2013)
На рис. 1 [5; 6] и 2 [7] показаны варианты предлагаемых конструкций с тормозными балками, выполненными из двух листов каждая, с выштамповкой под установку цилиндров и распорок. Корпуса цилиндров закреплены шарнирно между двумя поясами тормозных балок.
Подробно рассмотрим достоинства и недостатки применения конструкции, изображенной на рис. 1.
|
Рис. 1. Вариант тормозной системы с цилиндрами 670В и общей распоркой
|
 |
К достоинствам можно отнести минимально возможное количество элементов при условии установки двух цилиндров. Это, в свою очередь, повышает надежность системы и снижает необрессоренную массу. Схема достаточно проста для регулировки.
Но имеется и ряд недостатков. Для стабильной работы и равномерного и симметричного воздействия на балки необходимо исключить перекосы в шарнирах, возникающие при относительном вертикальном смещении балок (как при изготовлении, так и при эксплуатации).
Другой проблемой является различие усилий, воздействующих на распорку от рычагов, что может вызвать ее существенное смещение в продольном направлении и привести к несимметричному распределению усилий и перемещений в системе.
Кроме того, в процессе эксплуатации происходит износ колодок и колес, что потребует определенной схемы регулировки.
Первая проблема может быть решена путем постановки в шарнирное соединение рычага с головкой штока и соединения распорки с рычагом шарнирных подшипников (ШС) по ГОСТ 3635-78. На рис. 3 показан подшипник ШС30 (с отверстиями и канавками для смазки во внутреннем кольце, внутренним диаметром Ø30 мм, высотой
Закрепление тормозного цилиндра в тормозной балке с возможностью поворота в вертикальной плоскости возможно также при помощи специального поворотного кронштейна [8; 9].
|
Рис. 2. Вариант тормозной системы с цилиндрами 670В и двумя независимыми распорками |
 |
|||
 |
|||
Определим наиболее значимые факторы, вызывающие различие усилий, воздействующих на распорку:
- величина давления (при расчете на юз или эффективность) в цилиндрах вызывает максимальные отклонения усилий, приложенных от цилиндров к распорке;
- максимально возможные допуски на размеры плеч рычагов ±1;
- расхождение в усилиях начальной затяжки оттормаживающей пружины цилиндра 670В составляет ±7 кгс.
Максимальное и минимальное усилия на штоке при полном служебном торможении груженого вагона, согласно типовому расчету тормоза,
;
Pшт.min = 7,89 кН (789 кгс), Pшт.max = 9,1 кН (910 кгс),
где dц = 203 мм (
- КПД цилиндра; 
кН (120,05 кгс) при выходе штока 
- КПД рычажной передачи.
Таким образом, при равных выходах штока получим разность усилий на концах распорки:
ΔPрасп.=((Pшт+7)(371+1)/129-1)-((Pшт-7)(371-1)/129+1).
При Pшт.min=789 кгс, ΔPрасп.=87,7 кгс, при Pшт.max= 910 кгс ΔPрасп.=95 кгс.
Наиболее возможными вариантами решения этой проблемы представляются установка пружин между распоркой и тормозными балками, а также применение шарнирного опирания распорки на кронштейны, установленные на надрессорной балке. Возможны варианты поперечных связей боковин и распорки. Эти варианты значительно усложнят конструкцию и потребуют дополнительных экспериментальных исследований.
Вариант тормозной системы с двумя независимыми распорками (рис. 2) не имеет такого недостатка. Перекосы в шарнирах исключаются аналогично первой схеме. К недостаткам относится большее количество элементов (дополнительная распорка и две оси) и более сложная схема регулировки (однако дополнительных экспериментов не требуется). В связи с этим наиболее подробно рассмотрим применение схемы, изображенной на рис. 2, в том числе разработаем схему регулировки.
 |
|
Рис. 3. Подшипник ШС30 (ГОСТ 3635-78) в нормальном положении (слева) и с относительным смещением колец (справа)
|
 |
В конструкции появляется дополнительная точка приложения усилия к балке, укорачиваются рычаги по сравнению с первой схемой. Передаточное отношение выглядит следующим образом: n=1+(2a+b)/b.
Согласно ТУ 3184-503-05744521-95 на цилиндр 670В, суммарный выход штока и винта составляет 
; 
мм. (1)
Таким образом, максимальная толщина полномерной колодки составит
Рассмотрим характеристики рычажной передачи при номинальном n=4,86. При этом плечи рычага, воздействующего средней частью на тормозную балку, имеют допуски а±0,5; (а+b)±0,5, а максимальное передаточное отношение n=4,88.
В соответствии с формулой (1) запас хода по винту и выходу штока при n=4,86 также составит Δt=63 мм.
Разработка схемы регулирования тормозной системы в зависимости от износа колодок и колес
|
Согласно ГОСТ 10791-2011 и Инструкции по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ-944 [10], можно определить минимальный и максимальный размер колеса.
Максимальный (в соответствии с ГОСТ 10791-2011 диаметр по кругу катания колеса D1=957±7 мм) диаметр составит Dmax=964 мм.
Минимальный диаметр определяется в соответствии с предельной толщиной обода колеса для грузовых вагонов 22 мм. Диаметр колеса по ободу D2=810-10 мм. Таким образом, Dmin=800+2·22=844 мм. Максимально возможный износ колеса Δкол.=120 мм (60 мм толщины обода).
Рассмотрим применение колодок толщиной 60±4 мм в соответствии с таблицей Руководства 732-ЦВ-ЦЛ [11], а именно максимальной толщиной 64 мм. Разделим величину полного износа на 6 ступеней переключений монтажных размеров с интервалом по 10 мм.
С помощью 3D-модели рычажной передачи определялись положения рычагов при различных диапазонах износа колес. При этом были выявлены особенности работы системы. В частности, перемещение подвесок вверх (при предельном износе колес и колодок) приводит к значительному уменьшению расстояния между распоркой и надрессорной балкой.
Это обстоятельство было учтено при разработке и корректировке размеров рассмотренной модели. Была изменена конструкция тормозной балки, а также увеличена длина и величина эксцентриситета распорки. Прочностной расчет тормозной балки был проведен по формулам сопротивления материалов и по МКЭ. Получены близкие значения результатов расчетов обоими способами, причем напряжения не превышали допускаемых. Расчет по МКЭ показал некоторое увеличение напряжений в местах выштамповок по сравнению с расчетом по формулам сопромата. На рис. 4 показаны результаты расчетов тормозной балки с помощью МКЭ.
|
Рис. 4. Результаты прочностного расчета тормозной балки
|
 |
На рис. 5 показана схема рычажной передачи тележки с основными регулировочными размерами, имеющими типовой шаг 50 мм.
Монтажные размеры элементов рычажной передачи по аналогии с таблицами Руководства 732-ЦВ-ЦЛ [11] показаны в таблице.
|
Рассмотренная рычажная передача работоспособна и может быть рекомендована в качестве прототипа для разработки конструкторской документации и изготовления опытного образца.
Следует рассмотреть подробно действие рычажной передачи в пределах каждой из 6 ступеней переключения монтажных размеров при износе колеса на 10 мм.
Максимальный суммарный ход штока и винта, согласно таблице, с учетом максимального зазора между колодкой и колесом
Δt=С*max-С*min+lшт,
где lшт=nδк =39 мм - величина выхода штока без учета упругой деформации системы при максимальном передаточном отношении и максимальном зазоре между колодками и колесами.
По порядку (от 1 ступени до 6) от максимального (теоретически) диаметра колеса до предельно изношенного суммарный выход штока и винта составит: 348, 345, 345, 342, 343, 340 мм.
Поскольку суммарный ход штока и размер винта регулятора не более 345 мм, на каждой ступени (кроме первой) получим возможность полного износа колодки толщиной 64 мм и колеса на 10 мм по радиусу. На первой ступени колодка (колесо) будут не полностью изношены на 0,6 мм, но недостаточный износ может быть скомпенсирован уменьшенным зазором δк=7 мм. Здесь следует отметить идеализацию расчетов, поскольку фактически полного износа всех колодок одновременно не происходит, при замене наиболее изношенной колодки заменяют и остальные.
|
С*min(4)- С*min(3)=29 мм.
Применение, например, резьбовых стяжных муфт на винте штока, предназначенных для регулировки разницы в размерах винта на разных ступенях (выставление размера С*min), а также для компенсации размеров системы (разность размеров по боковым рамам, диаметрам колес и т.д.), позволит использовать данную схему. Это можно производить либо визуально по меткам муфты, либо по количеству оборотов.
При этом следует дополнительно уточнить величину выхода штока на размер упругой составляющей. Максимальный выход штока и винта будет равен lшт=nδк+ lшт.у. Это уточнение может потребовать разбиения величины общего износа обода колеса на большее количество интервалов монтажных размеров.
Таблица
Монтажные размеры разработанного прототипа тормозной рычажной передачи двухосной тележки грузового вагона с тормозными колодками толщиной 60±4 мм
|
Обозначение размера |
Величина размера, мм, при среднем диаметре колес тележки Dср=(D1+D2)/2 |
|||||
|
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
№ 5 |
№ 6 |
|
|
964-944 |
944-924 |
924-904 |
904-884 |
884-864 |
864-844 |
|
|
n |
0 |
0 |
50 |
0 |
50 |
50 |
|
Р |
725 |
775 |
775 |
825 |
825 |
875 |
|
С* |
616-925 |
595-901 |
592-898 |
621-924 |
617-921 |
595-896 |
Заключение
Разработанная модель рычажной передачи является полностью работоспособной и предлагается для применения на трехэлементных тележках грузовых вагонов с регулировкой давления в цилиндрах при помощи авторежима.
Максимальная толщина композиционных колодок для разработанной схемы составляет 64 мм. Для регулировки длины винта в начальном положении С*min для различных ступеней переключения при полномерных колодках необходимо ввести стяжную муфту, учитывая, что минимальный размер самого винта и штока должен оставаться равным 592 мм при прижатых колодках.
Однако такая мера достаточна для разработанного прототипа, основой которого является существующий цилиндр 670В. Доработка цилиндра с целью увеличения хода винта позволит отказаться от регулировки стяжной муфтой С*min и даст возможность применения колодок толщиной 65+5 мм.
1. Башкиров, К.В. Тормозное оборудование для современного вагона / К.В. Башкиров, К.Н. Болотов, Д.В. Палатов // Вагоны и вагонное хозяйство. – 2011. – Вып. 4. – С. 26-28.
2. Батенков, В.А. Задача на будущее – создать конкурентоспособную продукцию / В.А. Батенков // Евразия Вести. – 2010. – Вып. 5. – С. 12-13.
3. Пат. 2415769 РФ, МПК B61H 13/20. Механическая часть тормоза железнодорожного транспортного средства / Ю.В. Мещерин, В.А. Чаркин, В.Ф. Зубков [и др.]; заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». № 2009142452/11; заявл. 18.11.09; опубл. 10.04.11. Бюл. – № 10. – 10 с.
4. Тулузин, С.В., Горский, Д.В. Оценка работоспособности тормозной рычажной передачи тележки грузового вагона на различных стадиях износа колодок и колес / С.В. Тулузин, Д.В. Горский // Вестник ВНИИЖТ. – 2015. – Вып. 2. – С. 38-44.
5. Заявка 2017125644 РФ, МПК В 61 Н 13/20 13/28. Механическая часть тормоза железнодорожного транспортного средства / В.В. Синицын, В.В. Кобищанов. Заявл. 17.07.17.
6. Синицын, В.В.Вариант применения цилиндра со встроенным регулятором рычажной передачи в тормозной системе тележки грузового вагона / В.В. Синицын, В.В. Кобищанов, В.И. Сакало // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2017. – № 4. – С. 58-64.
7. Заявка 2019122945 РФ, МПК В 61 Н 13/20 13/28. Механическая часть тормоза железнодорожного транспортного средства / В.В. Синицын, В.В. Кобищанов. Заявл. 16.07.19.
8. Пат. 2478505 РФ, МПК B61H 13/20. Механическая часть тормоза железнодорожного транспортного средства / В.А. Батенков, В.Г. Охотников, Е.С. Сипягин, С.С. Старостин; заявитель и патентообладатель ОАО «Транспневматика». №2011130092/11; заявл. 19.07.11; опубл. 10.04.13, Бюл. № 10.
9. Старостин, С.С., Сипягин, Е.С. Новые подходы к проектированию инновационных тормозных систем грузовых вагонов // Транспорт Российской Федерации. – 2014. – Вып. 3. – С. 36-40.
10. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ-944: утв. МПС России 20.06.2003: ввод в действие с 01.01.2006. – 55 с.
11. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов 732-ЦВ-ЦЛ / ПКБ ЦВ ОАО «РЖД». – 2011. – 198 с.
