Тележки вагонов
ВАГОННЫЕ ТЕЛЕЖКИ - устройства, на которые опирается кузов вагона. Тележки относятся к ходовым частям вагона, служат для направления движения вагона по рельсовому пути, распределения и передачи всех нагрузок на путь, восприятия тяговых и тормозных сил и обеспечения движения вагона с минимальным сопротивлением и необходимой плавностью движения.
Конструкция тележек
Применение тележек в качестве ходовых частей обусловлено необходимостью создания вагонов увеличенной грузоподъемности и с большой базой. В большегрузных вагонах по условиям допускаемых нагрузок от колесной пары на рельсы число колесных пар не может быть ограничено двумя или тремя, а вписывание данного вагона в кривые участки железнодорожного пути без тележек затруднено. Тележки же позволяют вагонам иметь необходимое число колесных пар и благодаря наличию короткой базы проходят кривые участки пути малого радиуса с небольшим сопротивлением движению.
При проходе по пути с неровностями кузов тележечного вагона имеет меньшее вертикальное перемещение, чем нетележечного. Благодаря возможности размещения в тележках нескольких последовательно расположенных ступеней (ярусов) рессор в сочетании с различного рода гасителями колебаний и устройствами, обеспечивающими устойчивость положения кузова, создаются условия для достижения хорошей плавности хода вагона.
Конструкция соединения тележек с кузовом позволяет без затруднения выкатить их при необходимости. Это облегчает осмотр и ремонт ходовых частей вагона.
Конструкция тележек должна обеспечивать перестановку вагонов с колеи 1520 мм на колею 1435 мм и обратно при перевозках грузов и пассажиров в международном сообщении. Перестановку осуществляют на специальных перестановочных пограничных пунктах путем замены тележек (пассажирские вагоны) или колесных пар (грузовые вагоны).
В 1965 г. в Испании разработана конструкция с аксиально перемещающимися колесами. Такие тележки эксплуатируются на железных дорогах Испании и Франции. Опыт эксплуатации тележек на железных дорогах с различной шириной колеи показал высокую эффективность этой системы.
Тележка пассажирского вагона обычно состоит из следующих основных частей: колесных пар, букс, рамы, объединяющей колесной пары, рессорного подвешивания (буксового, расположенного между рамой тележки и буксами, и центрального, размещенного между надрессорной балкой и рамой тележки), возвращающих (люлечных) устройств, надрессорной балки с опорами кузова (подпятником и скользунами), тормозной передачи. Тележки грузовых вагонов обычно отличаются от тележек пассажирских вагонов отсутствием люлечного устройства и буксового подвешивания.
Классификация
Тележки различают:
- по назначению - для грузовых и пассажирских вагонов,
- по числу осей тележки подразделяются на одноосные, двухосные, трехосные, четырехосные и многоосные. На железных дорогах СССР наиболее распространены двухосные тележки. Однако имеются грузовые вагоны с трех- и четырехосными тележками. Трехосные тележки применяются также в пассажирских служебных вагонах. Транспортеры большой грузоподъемности имеют многоосные тележки.
По устройству рессорного подвешивания различают:
- тележки с одинарным рессорным подвешиванием — центральным (а)
- буксовым, т. е. с одной системой рессор, передающей нагрузку Р колесным парам (б). Эти тележки применяются почти исключительно в грузовых вагонах;
- тележки с двойным рессорным подвешиванием (в) — центральным и буксовым, через которые последовательно передается нагрузка
Тележки для грузовых вагонов имеют одноступенчатое устройство рессорного подвешивания (центральное или буксовое), тележки для пассажирских вагонов - двухступенчатое подвешивание (центральное и буксовое).
По способу соединения рамы с колесными парами тележки имеют следующие отличительные особенности:
- рама тележки непосредственно соединена с буксами (а). Такую конструкцию имеют большая часть тележек грузовых вагонов и некоторые тележки пассажирских вагонов;
- между рамой тележки и буксами расположены упругие элементы (б). В таком случае необходимы направляющие (челюсти) для ограничения перемещений букс относительно рамы;
- упругие элементы размещены между рамой тележки и балансирами, которые опираются непосредственно на буксы. Балансиры могут быть длинными, опирающимися концами на две буксы, или короткими, располагающимися над каждой буксой (в). Балансиры являются необрессоренными частями вагона. Поэтому предпочтительны короткие балансиры, при которых, кроме того, меньше изнашиваются корпуса букс и направляющие (челюсти);
- рама тележки опирается на буксы через упругие элементы при отсутствии направляющих — бесчелюстная конструкция (г). Функции направляющих в этом случае выполняют сами упругие элементы, обладающие достаточной жесткостью в горизонтальной плоскости. Такое подвешивание отличается отсутствием трущихся частей, но оно требует постановки специальных гасителей колебаний и устройства, ограничивающего большие перемещения буксы в горизонтальной плоскости. Бесчелюстное подвешивание имеют почти все тележки пассажирских вагонов железных дорог СССР;
- рама тележки соединена с буксами посредством упругих шарниров и поводковых направляющих, ограничивающих перемещение букс в горизонтальной плоскости (д). Если трение в шарнирах поводков большое, можно обходиться без гасителей колебаний;
- рама тележки шарнирно соединена с буксой при помощи отлитого заодно с корпусом буксы горизонтального рычага; упругий элемент расположен между буксой и рамой (е). Такая конструкция смягчает горизонтальные толчки, уменьшает износ гребней колес и улучшает плавность хода вагона. Резинометаллический шарнир может выполнять функции гасителя колебаний. Недостатком этой конструкции является возможное проскальзывание колес по рельсам при коротких рычагах букс вследствие изменения расстояния между колесными парами при колебаниях рамы тележки.
В зависимости от передачи нагрузки от кузова вагона на тележку различают тележки с опиранием кузова:
- через подпятник тележки (грузовые вагоны);
- через боковые скользуны (пассажирские вагоны);
- через подпятник и частично через упругофрикционные боковые скользуны тележки (опытные грузовые тележки);
- через упругие элементы тележки (скоростные пассажирские вагоны с локомотивной тягой и вагоны дизель-поездов).
При передаче нагрузки через подпятник обеспечивается свободный поворот тележек под кузовом вагона, что значительно облегчает прохождение кривых участков пути. При передаче нагрузки через боковые опоры силы трения, возникающие между скользунами рамы кузова и надрессорной балки тележки, способствуют гашению извилистого движения тележек, которое является основной причиной боковых колебаний вагона. Наряду с положительным влиянием на плавность хода опора кузова на скользуны позволяет облегчить шкворневые балки рамы кузова и надрессорные балки тележек
Передача нагрузки от кузова вагона на раму тележки может осуществляться через:
- среднюю поперечную балку рамы тележки, жестко связанную с ее боковыми рамами (а). Этот способ применяется в тележках с буксовым рессорным подвешиванием;
- балку, свободно опирающуюся концами на рессоры, расположенные на раме тележки (б). Такой способ применяется в тележках с центральным рессорным подвешиванием главным образом грузовых вагонов;
- балку, опирающуюся на продольно расположенные листовые рессоры, шарнирно подвешенные к раме тележки (в). Этот способ подвешивания не получил большого распространения, так как листовые рессоры не могут упруго воспринимать горизонтальные нагрузки;
- балку, опирающуюся на рессоры, установленные в так называемой люльке (г). Такое подвешивание позволяет применять все известные упругие элементы и широко используются в. тележках пассажирских вагонов.
Рамы тележек изготовляют литыми или сварными из штампованных или прокатных профилей. В тележках, особенно пассажирских вагонов, целесообразны рамы с балками коробчатого закрытого сечения, которые имеют малую массу и хорошо сопротивляются изгибу и кручению. Литые рамы требуют в эксплуатации незначительного ремонта, но обладают большой массой. Они преимущественно применяются в тележках грузовых вагонов.
Тележки грузовых вагонов
Основные технические характеристики типовых тележек, эксплуатируемых на железных дорогах стран СНГ приведены в таблице 3.
Постройка трехосных тележек различных типов прекратилась в 1967 г., однако в эксплуатации их находится еще около 30 тыс. (за исключением тележек модели 18-102). Для грузовых вагонов разработаны и построены Уральским вагоностроительным заводом опытные 2-осные тележки модели 18-115 с улучшенными динамическими качествами для скоростей движения до 140 км/ч и модели 18-131 для осевых нагрузок 245 кН.
Двухосная тележка модели 18-100 (трехэлементная тележка) состоит из двух боковых рам и надрессорной балки с подпятником, отлитых из низколегированной стали марок 20ФЛ или 20ГФЛ, двух колесных пар с роликовыми буксами и двух рессорных комплектов, состоящих из пяти, шести или семи двухрядных цилиндрических пружин (в зависимости от грузоподъемности вагона — соответственно 50, 60 и более тонн).
Тележки моделей 18-131; 18-120 и 18-115 построены на базе тележки модели 18-100 и отличаются от нее лишь наличием упруго-фрикционных скользунов, предназначенных для уменьшения влияния тележки и боковой качки кузова, а также резиновых прокладок между цилиндрическим корпусом буксы и боковой рамой тележки, предназначенных для уменьшения сил инерции от колебания необрессоренных масс тележки и более равномерного распределения вертикальных сил между передним и задним роликовыми подшипниками.
Тележки типа КВЗ-И2 имеют большую жесткость рессорного подвешивания, подкатываются под кузова грузовых, рефрижераторных вагонов, кузова вагонов с машинным охлаждением. Трехосные тележки имеют сложную конструкцию, повышенное воздействие на путь, обладают меньшей устойчивостью от схода с рельсов. Поэтому на железнодорожных путях МПС они не нашли широкого применения; применяются в основном на железнодорожных путях промышленного транспорта. Лучшей среди 3-осных является тележка типа УВЗ-9М конструкции Уральского вагоностроительного завода. Модель 18-102 объединяет последующие типы УВЗ-11 и УВЗ-11А, спроектированные с повышенной осевой нагрузкой.
Четырехосные тележки состоят из двух типовых 2-осных тележек модели 18-100 и мощной соединительной балки (масса 2 т) сложной конфигурации; применяются в 8-осных цистернах (соединительная балка штампосварная из низколегированной стали 09Г2-Д) и полувагонах (соединительная балка литая из низколегированной стали марок 20ГЛ или 20ГФЛ), а также транспортерах.
С целью уменьшения массы и упрощения формы разработана опытная 4-осная тележка с кузовом, опирающимся на скользуны 2-осных тележек. Опорные устройства на скользунах с подшипниками качения соединены между собой попарно двумя продольными тягами для выравнивания вертикальной нагрузки между 2-осными тележками.
Создание новых двухосных тележек
Создание новых типов 2-осных грузовых тележек связано с рядом основополагающих принципов конструирования. К ним относятся следующие: применение диагональных связей боковых рам с целью стабилизации геометрии тележки в плане и уменьшения забегания (относительное продольное перемещение) боковых рам. Важным требованием является наличие надбуксовых упругих элементов с целью уменьшения необрессоренной массы тележки, фильтрации высокочастотных возмущений, обеспечения подвижности колесной пары в продольном и поперечном направлениях, что облегчает самоустановку колесных пар в кривых. Необходимым является также применение рессорных комплектов с разнесенными поперек тележки фрикционными гасителями колебания с целью создания возвращающих моментов сил трения, препятствующих искажению геометрии тележки в плане; применение в центральном рессорном подвешивании рессорных комплектов с фрикционными гасителями колебаний, имеющими увеличенный до 90 мм статический прогиб; использование плавающей надрессорной балки, которая является аналогом люлечной подвески при увеличенной горизонтальной гибкости рессорных комплектов. Важным конструктивным элементом являются эксцентриковые связи колесных пар с боковыми рамами, оборудованными системой стабилизаторов, способствующие радиальной установке колесных пар в кривых.
В эксплуатации должны находиться тележки трех классов: универсальные с осевой нагрузкой 245 кН и конструкционной скоростью движения 120 км/ч; специализированные для эксплуатации на определенных направлениях в замкнутых маршрутах с осевой нагрузкой 295 кН и конструкционной скоростью движения 100 км/ч; скоростные тележки с осевой нагрузкой 220-225 кН и конструкционной скоростью движения 140 км/ч. Кроме того, для вагонов, постоянно эксплуатируемых на ж.д. с шириной колеи 1520 и 1435 мм в замкнутых международных маршрутах «Восток-Запад», необходимо применение тележек с раздвижными колесами и буксовым рессорным подвешиванием, отвечающим требованиям эксплуатации подвижного состава на железных дорогах России и Западной Европы.
Испытания
Разработаны, построены и испытаны тележки двух типов:
- 1) с металлосварной рамой, типовыми колесными парами и буксовым рессорным подвешиванием (осевая нагрузка 245 кН) для грузовых вагонов всех типов железных дорог МПС колеи 1520 мм;
- 2) с жесткой Н-образной сварной рамой из штампованных элементов, с раздвижными колесами, буксовым рессорным подвешиванием, с билинейной характеристикой, с упругофрикционными скользунами и фрикционными гасителями колебаний новой конструкции.
Спроектирована и построена (ОАО «Ижорские заводы») опытная двухосная тележка с надбуксовым подвешиванием, штампованными боковыми рамами и надрессорной балкой, упругофрикционными скользунами оригинальной конструкции. Тележка имеет двухстороннее нажатие тормозных колодок на колесные пары или дисковый тормоз, тормозной цилиндр, авторегулятор тормозной рычажной передачи.
Спроектирована тележка (ТК ЦКБТМ, Тверь) с центральным рессорным подвешиванием повышенной гибкости, штампосварными боковыми рамами и шкворневой балкой, упругофрикционными скользунами и упругими тягами, соединенными с надрессорной балкой и боковой рамой тележки. Спроектирована тележка (РАО ВСМ) с пружинным рессорным подвешиванием в центральной ступени и резинометаллическими рессорами в буксовой ступени, штампосварными боковыми рамами с гидрогасителями раздельного гашения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, с сайлент-блоками в буксовых узлах, дисковым тормозом.
Тележки в других странах
На железных дорогах США, Канады, Китая, Японии применяются двухосные тележки, подобные тележке модели 18-100 железных дорог России, на железных дорогах Западной Европы - единая тележка типа Y25 с буксовым рессорным подвешиванием с фрикционными гасителями колебаний переменного трения, во Франции - тележки Y21 и Y25 с жесткой Н-образной рамой и тележки Y27 и Y31 с раздельными боковыми рамами и подпружиненными скользунами. Кроме того, применяется также тележка типа ANF25 с центральным рессорным подвешиванием, а для большегрузных вагонов — тележки с буксовым рессорным подвешиванием.
Во Франции разработана тележка Y35, для организации движения грузовых вагонов со скоростью 140 км/ч. Тележка с базой 2,2 м имеет маятниковое подвешивание для улучшения ходовых качеств тележки в горизонтальной плоскости, билинейное буксовое подвешивание, упругие скользуны со встроенными тормозными башмаками, размещенными на раме тележки. Гибкость рессорного подвешивания тележки 3 мм/т при осевой нагрузке до 12,6 т и 1 мм/т при осевой нагрузке свыше 12,6 т. Тележка имеет фрикционный гаситель колебаний специальной конструкции для гашения вертикальных и поперечных горизонтальных колебаний.
Тележки пассажирских вагонов
Тележки пассажирских вагонов. Пассажирские вагоны имеют 2-осные тележки с двухступенчатым рессорным подвешиванием. Она была разработана Тверским вагоностроительным заводом. В 1959 г. для специальных пассажирских вагонов массой брутто до 108 т была построена 3-осная тележка с двухступенчатым подвешиванием. В 1969 г. для вагонов пассажирского поезда «Русская тройка» (РТ-200) с локомотивной тягой разработана тележка типа ТСК-1. В эксплуатации находятся в основном тележки типа КВЗ-ЦНИИ, а также тележки старых типов ЦМВ и КВЗ-5 (таблица 4).
Строятся два типа тележек КВЗ-ЦНИИ: КВЗ-ЦНИИ-1 - для вагонов массой брутто до 60 т и КВЗ-ЦНИИ-П — для вагонов массой брутто от 60 до 72 т. Тележка КВЗ-ЦНИИ-Н отличается от КВЗ-ЦНИИ-1 большей жесткостью рессорного подвешивания, более мощной рамой и наличием двух гидравлических гасителей колебаний с каждой стороны (у тележки КВЗ-ЦНИИ-1 - один). Тележка имеет Н-образную жесткую раму, боковые балки которой коробчатого сечения сделаны из швеллеров № 19. В центральное люлечное рессорное подвешивание входят две трехрядные пружины, гидравлический гаситель колебаний. Кузов вагона опирается на тележку через боковые скользуны, в которых при относительном перемещении возникает момент сил трения, достаточный для уменьшения колебаний тележки из стороны в сторону. Для упругого ограничения горизонтального перемещения надрессорной балки и возвращения ее в центральное положение имеются два упругих направляющих поводка, диагонально расположенных вдоль боковых балок с каждой стороны тележки. В буксовое рессорное подвешивание входят две однорядные пружины, через которые проходят шпинтоны, и два клиновых фрикционных гасителя колебаний. Шпинтоны необходимы для ограничения горизонтального перемещения букс и для предотвращения разъединения колесных пар с рамой тележки при входе вагона с рельсов. Для предотвращения отрыва тележки от кузова при сильных вертикальных толчках подпятник тележки соединен с пятником рамы кузова замковым шкворнем, состоящим из двух полушкворней и расположенной между ними замковой планки.
Модификации
Модернизированная тележка ТВЗ-ЦНИИ-М (КВЗ-ЦНИИ-М) отличается от тележки КВЗ-ЦНИИ увеличенным статическим прогибом рессорного подвешивания, более надежной конструкцией люлечных подвесок (однозвенной вместо двухзвенной).
Тележка КВЗ-5 (строилась в 1960-62 гг.) имеет большую, чем тележка КВЗ-ЦНИИ, жесткость рессорного подвешивания, кузов опирается на тележку только через подпятник, в боковых скользунах существуют зазоры, благодаря которым надрессорная балка не имеет больших перекосов в плане и вследствие этого отпадает необходимость связывать балку с рамой тележки упругими направляющими поводками, как у тележки КВЗ-ЦНИИ.
Тележка ЦВМ строилась с 1950 г. по 1960 г. Имеет в центральном рессорном подвешивании эллиптические листовые рессоры конструкции Н. К. Галахова и пружинное буксовое подвешивание, фрикционные гасители колебаний отсутствуют. В связи с плохими динамическими качествами и ограничением скорости движения вагонов до 120 км/ч, тележка была снята с производства.
Тележка ТСК-1 предназначена для пассажирских вагонов со скоростями движения до 200 км/ч (рис. 6.45), состоит из открытой сварной рамы с поперечными балками, надрессорной балки со шкворнем и опорными узлами, центрального безлюлечного рессорного подвешивания с пневморессорами и буксового пружинного подвешивания.
Тележка имеет вертикальные и поперечные горизонтальные гидравлические гасители колебаний. Корпус буксы и надрессорная балка соединены с рамой поводками. Тележка имеет дисковый и магнитно-рельсовый тормоза, работающие соответственно при служебном и экстренном торможении, а также действующий на одну колесную пару ручной тормоз. В магнитно-рельсовый тормоз входят башмаки и пневматические подъемные цилиндры. Сила прижатия башмака к рельсу достигает 100 кН. При экстренном торможении электроток подается к катушке башмака, а сжатый воздух — в пневматические подъемные цилиндры.
Колеса имеют профиль поверхности катания с конусностью 1:100; 1:20и 1:7и углом наклона гребня колеса 65°. Шейки оси удлинены для размещения третьего упорного шарикоподшипника, воспринимающего осевые усилия.
Тележки пассажирских вагонов, используемые на ж. д. западноевропейских и других стран, в основном похожи на отечественные. Однако имеются также и оригинальные конструкции тележек. На железных дорогах Франции применяются тележки Y32 с центральным и буксовым пружинным подвешиванием,гидравлическими гасителями вертикальных и поперечных колебаний, колодочными и дисковыми тормозами, противогазным устройством. Тележка может быть оборудована электромагнитным рельсовым тормозом, счетчиком пройденного пути, тахометром, смазчиком гребней колес. Тележка обеспечивает при хорошей плавности хода максимальную скорость движения 200 км/ч (при испытаниях вагон с такими тележками развил максимальную скорость 300 км/ч).
На железных дорогах Германии применяются тележки: с пневморессорой в центральной и цилиндрическими пружинами в буксовой ступени и со специальной направляющей буксовой тягой; с продольными и горизонтальными буксовыми пружинами и треугольным коленчатым рычагом-буксой, шарнирно связанным с рамой тележки; с пневматическим подвешиванием в центральной ступени (для двухэтажных вагонов).
На железных дорогах США и ряда других стран в эксплуатации находятся вагоны с маятниковым рессорным подвешиванием, т. к. центральная ступень тележки имеет очень высокие пружины, плоскость опоры кузова расположена выше центра его массы для повышения устойчивости кузова от поперечного опрокидывания при высокой гибкости пружин, а также получения спокойного хода.
Существуют тележки с пневморессорами, с роликовыми буксовыми узлами, расположенными между колесами, а также с дисковым тормозом, тормозные накладки которого укреплены снаружи дисковых колес. В тележках широко применяются резинометаллические рессоры и упругие элементы, обеспечивающие гашение высокочастотных шумовых колебаний и повышенный комфорт пассажиров.
Литература
Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Л. А. Шадур, И. И. Челноков, Л. Н. Никольский, Е. Н. Никольский, В. Н. Котуранов, П. Г. Проскурнев, Г. А. Казанский, А. Л. Спиваковский, В. Ф. Девятков; Под ред. Л. А. Шадура. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1980. — 439 с.
Лукин В.В., Анисимов П.С., Федосеев Ю.П. Вагоны. Общий курс: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. В.В. Лукина. —М.: Маршрут, 2004. 424 с.
Б.В. Быков. Конструкция тележек грузовых и пассажирских вагонов. Иллюстрированное учебное пособие. М:Маршрут, 2004, 36 с.