Ударно-тяговые приборы
УДАРНО-ТЯГОВЫЕ ПРИБОРЫ служат для сцепления вагонов между собой и с локомотивом, удержания их на определенном расстоянии друг от друга, восприятия, передачи и смягчения действия тяговых и сжимающих усилий, возникающих при движении поезда и при маневрах.
От конструкции, параметров и исправного состояния ударно-тяговых приборов во многом зависит надежность и долговечность вагонов в эксплуатации, а также безопасность движения поездов. Поэтому к этим приборам предъявляется целый ряд требований, основными из которых являются: автоматическое сцепление и расцепление подвижного состава, свободный проход сцепов по кривым участкам пути минимального радиуса и горбам сортировочных горок, плавное движение при трогании поезда с места и торможениях в пути следования и др.
Современным ударно-тяговым прибором является автосцепное устройство, выполняющее основные функции ударных (буфера) и тяговых (сцепка) приборов.
Классификация
- В зависимости от способа восприятия усилий ударно-тяговые приборы бывают объединенные и раздельные тягово-сцепные.
- В зависимости от способа соединения тягово-сцепные приборы делятся на неавтоматические и автоматические. На железных дорогах России и других стран СНГ применяются только автоматические ударно-тяговые приборы (автосцепка), внедрение которых в эксплуатацию началось в 1935 г. и закончилось в 1957 г. Неавтоматические сцепки (винтовая стяжка) в основном применяются на железных дорогах Западной Европы.
- В зависимости от способа передачи тягового усилия раме вагона различают сквозную и несквозную упряжь;
Автосцепка
Основная статья: Автосцепка
Автосцепка позволяет увеличить массу поезда и провозную способность железных дорог, обеспечивает рациональное использование мощности современных локомотивов, устраняет тяжелый и опасный труд сцепщика поездов, способствует уменьшению массы тары вагона вследствие объединения элементов конструкции и облегчения боковых и концевых балок рамы кузова при центральном расположении ударно-тяговых приборов.
На железных дорогах России на наземном подвижном составе применяется нежесткая автосцепка типа СА-3 и ее модернизированный вариант СА-Зм (разработана И. Н. Новиковым, В. Г. Головановым, В. А. Шашковым и А. Ф. Пуховым под руководством В. Ф. Егорченко). Ее конструкция допускает вертикальные перемещения соединенных корпусов автосцепок, при этом продольные оси автосцепок, располагаясь ступенчато, сохраняют горизонтальное положение. На вагонах метрополитена установлена жесткая автосцепка; в этом случае при разнице высот продольные оси корпусов автосцепок занимают наклонное положение. Такая автосцепка позволяет соединять поездные коммуникации: тормозные магистрали вагонов, межвагонные электропровода освещения и т. д. На 8-осных и 6-осных вагонах с длинными консолями (расстояние от концевого бруса рамы вагона до центра пятника) применяется полужесткая автосцепка, в которой имеются детали, ограничивающие возможность выхода из зацепления корпусов автосцепок при их вертикальных перемещениях (полужесткая автосцепка допускает перемещения в определенных пределах).
В автосцепку СА-3 входит корпус с механизмом сцепления (замок, замкодержатель, подъемник, предохранитель замка, валик подъемника); расцепной привод; ударно-центрирующий прибор с двумя маятниковыми подвесками; упряжное устройство с тяговым хомутом клином и упорной плитой; поглощающий аппарат и др. Корпус автосцепки и тяговый хомут - литые (низколегированная сталь марки 20ГФЛ). В головной части корпуса (рис. 6.46) расположены большой и малый] зубья, образующие зев с замком и замкодержателем. Упор на головной части служит для передачи усилий сжатия на раму кузова после полного сжатия поглощающего аппарата и деформаций деталей автосцепки и упряжного устройства. Отверстие в хвостовике корпуса предназначено для клина, соединяющего корпус с тяговым хомутом. Корпуса автосцепки подвергаются закалке и отпуску, благодаря чему повышаются предел текучести на 20—25%, временное сопротивление на 13-20% и износостойкость на 20%. Однако при этом стоимость изготовления корпуса увеличивается на 12—15%. Следует учитывать, что усилия, вызывающие разрушения частей автосцепного устройства, не должны превышать усилий разрушающих раму кузова, сохранение целостности которой более важно, чем обеспечение прочности деталей автосцепки.
В автосцепке СА-Зм балочка ударно-центрирующего устройства подпружинена; хвостовик корпуса соединен с тяговым хомутом валиком; специальный торсионный механизм служит для облегчения возвращения отклоненного в горизонтальной плоскости в кривой корпуса автосцепки в центральное положение и обеспечения автоматического сцепления автосцепок в кривых. Кроме того, корпус имеет повышенную прочность за счет утолщения на 30% стенок и наличия внутренних ребер жесткости. Специальный прилив на малом зубе ограничивает вертикальное смещение корпусов автосцепок в допустимых пределах, что обеспечивает прохождение без саморасцепа горбов сортировочных горок и больших вертикальных неровностей железнодорожного пути.
В перспективе автосцепка должна быть жесткой или полужесткой, ее конструкция - обеспечивать сцепляемость со сцепками, применяемыми на железных дорогах Китая, КНДР, не препятствовать постановке на нее переходных устройств для сцепления с винтовой сцепкой, используемой на железных дорогах Западной Европы. В автосцепке необходимо предусмотреть совмещение с автосоединителями межвагонных коммуникаций (тормозная воздушная магистраль, электрические двухпроводные цепи), установить удлиненный поглощающий аппарат, у которого корпус и тяговый хомут объединены в одну отливку.
Центральный однобуферный ударно-сцепной аппарат
Основная статья: Центральный однобуферный ударно-сцепной аппарат
Сцепка Шарфенберга
Основная статья: Сцепка Шарфенберга
Поглощающие аппараты
Поглощающие аппараты автосцепки предназначены для уменьшения продольных растягивающих и сжимающих сил в поезде за счет преобразования кинетической энергии соударяющихся вагонов в работу сил трения и потенциальную энергию деформации упругих элементов аппарата. В автосцепке применяются следующие основные типы поглощающих аппаратов: пружинные, пружинно-фрикционные, резинометаллические, резино-фрикционные, гидравлические, газовые, гидрогазовые, гидрофрикционные и эластомерные. Пружинные аппараты устанавливаются лишь в буферах и межвагонных амортизаторах пассажирских вагонов с упругими переходными торцевыми площадками. В автосцепках грузовых вагонов наибольшее распространение получили пружинно-фрикционные аппараты с простыми в исполнении упорами, имеющими удовлетворительные параметры (энергоемкость, полный ход аппарата, сила сопротивления при сжатии, сила начальной затяжки, коэффициент необратимого поглощения энергии удара, статическая сила закрытия аппарата). Для грузовых вагонов разработаны пружинно-фрикционные поглощающие аппараты нескольких типов (таблица 5).
Аппараты Ш-1-ТМ (рис. 6.47), Ш-2-Т, Ш-2-В сходны между собой по конструкции и отличаются в основном параметрами.
Сила трения в аппаратах возникает на соприкасающихся поверхностях трех штампованных закаленных фрикционных клиньев (сталь марки 38ХС или марки 30) и литого шестигранного корпуса (сталь ЗОГМЛ-Б или 30Х06Л-У).
Аппарат Ш-6-ТО-4 для 4-осных грузовых вагонов взаимозаменяем с аппаратами Ш-1-ТМ, Ш-2-В, однако у вагонов более ранней постройки требуется модернизация упоров на хребтовой балке.
Аппарат ПМК-110А применяется в автосцепках рефрижераторных вагонов, платформ для перевозки контейнеров и иногда у 8-осных вагонов. Фрикционными элементами в нем являются износостойкие металлокерамические пластины.
Гидрофрикционный аппарат ПГФ-4 имеет в основном аналогичную конструкцию с аппаратом ПФ-4, отличается от него наличием в наружной силовой пружине удлинителя гидрогасителя клапанного типа с автоматической подстройкой сопротивления в зависимости от скорости соударения вагонов при работе в квазистатическом и динамическом режимах нагружения. Поглощение энергии удара в аппарате происходит благодаря рассеиванию работы сил трения во фрикционном узле и сопротивления гидрогасителя.
В автосцепках пассажирских вагонов дизель- и электропоездов устанавливается резиновый поглощающий аппарат Р-2П (рис. 6.48).
Упругими элементами в нем являются резинометаллические секции 7-ИРП-1348, состоящие из слоя специальной резины и двух навулканизированных металлических пластин толщиной 2 мм; толщина секции 41,5 мм, сечение 265x220 мм.
Разработаны также поглощающие аппараты Р-4П и Р-5П для перспективных условий эксплуатации пассажирских вагонов (отличаются от аппарата Р-2П формой и конструкцией корпуса, размерами резинометаллических элементов).
Производство пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов ЦНИИ-Н6, разработанных И. Н. Новиковым, прекращено, в эксплуатации они заменяются резиновыми поглощающими аппаратами. В некоторых автосцепках применяется также сдвоенный поглощающий аппарат, состоящий из аппаратов Ш-2-Т и Р-2П. Аппарат требует увеличения расстояния между упорами на хребтовой балке до 1400 мм (стандартное расстояние 625 мм). Энергоемкость сдвоенного аппарата до 200 кДж, ход 200 мм (таблица 6).
Гидравлический поглощающий аппарат
Гидравлический поглощающий аппарат работает по принципу преобразования сил гидравлического сопротивления в тепло, следовательно, большая часть кинетической энергии соударения вагонов поглощается необратимо.
При медленно нарастающих продольных силах аппарат сжимается почти без гидравлического сопротивления и при малой жесткости пружин оказывается неподготовленным к восприятию последующих ударов. Этот недостаток в значительной мере устранен в гидрогазовом поглощающем аппарате, в котором нейтральный газ (азот под высоким давлением) обеспечивает большое упругое сопротивление и улучшает работу аппарата, например при плавном трогании поезда и движении его по затяжному подъему пути. Кроме того, энергоемкость аппарата увеличивается с ростом скорости соударения, т. е. имеется саморегулирование характеристик аппарата.
Гидрогазовые аппараты
Гидрогазовые аппараты ГА-100М (энергоемкостью 100 кДж, полный ход 70 мм) и ГА-500 (энергоемкостью 140-170 кДж и полный ход 120 мм) разработаны в МИИТе, запатентованы во многих странах мира. Конструктивная схема аппаратов практически одинаковая. Аппараты имеют газовые (с разным зарядным давлением) гидравлические камеры. Регулирующий стержень с профильными канавками позволяет создавать необходимое сопротивление аппарата в зависимости от скорости соударения вагонов. В аппарате ГА-500 газовые камеры работают последовательно, в ГА-100М - параллельно.
Однако до начала 2000-х гг. гидрогазовые поглощающие аппараты не применялись из-за ряда недостатков (сложность конструкции, трудность обеспечения на длительный период надежных уплотнений, изменение жесткости аппарата под влиянием температуры, а следовательно, вязкости рабочей жидкости).
Эластомерные поглощающие аппараты
Эластомерные поглощающие аппараты получают все большее распространение, успешно применяются в амортизирующих устройствах, работающих при низких (до 70 °С) и высоких температурах. Применяемые в аппаратах силиконовые эластомеры способны к большим обратимым высокоэластическим деформациям. Такие поглощающие аппараты (полный ход 90 мм, сила предварительного сжатия 200-220 кН, максимальная сила сжатия 1000-1500 кН, при статическом и динамическом приложении сил сжатия соответственно 55 и 130 кДж, коэффициент восприятия кинетической энергии удара соответственно 0,4 и 0,75, габаритные размеры 230x318x625 мм, масса 214 кг). Аппарат 73ZW по сравнению с другими типами поглощающих аппаратов имеет ряд преимуществ:
- большая энергоемкость;
- высокая стабильность работы при температурах от —60° до 60 °С;
- отсутствие заклинивания и запаздывания возвращения в исходное положение после прекращения действия сжимающей силы;
- простота конструкции и др.
Такие поглощающие аппараты отличаются высокой стойкостью к естественным и искусственным факторам старения. При равных габаритных размерах эластомерные поглощающие аппараты имеют по сравнению с другими аппаратами более высокую удельную энергоемкость, приходящуюся на единицу веса, а также более простую конструкцию. Однако при изготовлении их требуется высокая точность механической обработки поршней и цилиндров для создания герметически заполняемых объемов эластомером, работающим под давлением до 500 МПа. Преимуществом эластомера является его сжимаемость под давлением в замкнутом объеме до 15%, высокая вязкость и ее малое изменение при колебаниях температуры. На железных дорогах России в 4-осных цистернах для перевозки сжиженных газов под высоким давлением применяются эластомерные аппараты типа 73ZW польского производства.
Эластомерные поглощающие аппараты эксплуатируются также на железных дорогах зарубежных стран.
На зарубежных ж. д. применяют различные типы поглощающих аппаратов. На железных дорогах Франции применяются резинометаллические поглощающие аппараты из специальной смеси, обеспечивающей эффективную и стабильную работу аппарата при температурах от плюс 20 до минус 40 "С.
На железных дорогах США применяют также различные типы аппаратов: комбинированные резино-фрикционные; гидрофрикционные; гидравлические поглощающие аппараты (для вагонов, перевозящих хрупкие и опасные грузы, полный ход 178, 254 и 381 мм, допускаемая скорость соударения вагонов при продольной силе 2,23 мН соответственно 3,2; 4,73 и 5,8 м/с).
Около 30% вновь строящихся вагонов оборудуются плавающей хребтовой балкой с мощным центральным амортизирующим устройством, устанавливаемым дополнительно к стандартным поглощающим аппаратам. Амортизирующие устройства (резиновые, фрикционные, гидравлические и гидропневматические) могут иметь ход 178, 254, 305, 457, 508, 610 и 672 мм в зависимости от типа и конструкции вагонов.
Эксплуатируются также грузовые вагоны с подвижной хребтовой балкой, имеющей по концам стандартные поглощающие аппараты, а в центральной части - гидрофрикционный амортизатор, состоящий из набора стальных подвижных фрикционных пластин, размещенных последовательно между бронзовыми пластинами корпуса амортизатора. В средней части рамы кузова жестко укреплен гидравлический цилиндр.
Автосцепки вагонов зарубежных железных дорог
Автосцепки вагонов зарубежных железных дорог. На железных дорогах США, Канады, Мексики и некоторых других стран вагоны оборудованы преимущественно стандартной жесткой автосцепкой, впервые предложенной Дженнеем в 1876 г. и в последующем усовершенствованной. Американская автосцепка применяется также в Китае. Жесткая автосцепка типа «Нэйшнэл АР» (рис. 6.49) имеет клиновидные выступ и впадину, контактную коробку с 44 электроконтактами и двумя мундштуками воздуховодов. При расцеплении коробка автоматически закрывается защитной крышкой, при сцеплении – открывается. Клапан на мундштуке воздухопровода при сцеплении вагонов отжимается внутрь коробки для пропуска воздуха в тормозную магистраль. Концевые краны автотормоза автоматически открываются при сцеплении и закрываются перед расцеплением при помощи специального пневматического устройства. Дополнительно к ручному расцепному приводу имеется пневматический привод расцепления с электроуправлением из кабины локомотива.
В некоторых грузовых вагонах, эксплуатирующихся в маршрутных поездах, установлены автосцепки, которые могут поворачиваться при разгрузке вагонов на вагоноопро-кидывателях без расцепления вагонов.
На железных дорогах США, КНДР, КНР, Японии и ряда других стран широко распространены простые по конструкции автосцепки с поворотным когтем. Такие автосцепки не являются полностью автоматическими, т. к. перед сцеплением необходимо вручную открывать закрытый коготь.
На железных дорогах Японии стандартная автосцепка («Сабита»), контур зацепления которой похож на американскую, но отличается конструкцией механизма сцепления и расцепления. Некоторые пассажирские и специальные грузовые вагоны железных дорог Германии, Франции, Голландии, Дании и других стран Западной Европы, а также вагоны метрополитенов ряда городов этих стран оборудованы унифицированной автосцепкой системы Шарфенберга, которая позволяет автоматически соединять тормозные воздушные магистрали и электропровода вагонов.
Для обеспечения рациональных международных перевозок по железным дорогам Европы и Азии предусмотрена возможность взаимодействия вагонов с различными типами сцепок. С этой целью используются, например, специальные переходные сцепки, устанавливаемые на пограничных станциях в контур зацепления. На железных дорогах Европы с шириной колеи 1520 мм (Россия) и 1435 мм (страны Западной Европы) для сцепления вагонов, имеющих автосцепку СА-33, с вагонами с винтовой сцепкой снимают корпуса автосцепки СА-3 с концевых вагонов состава или с каждого вагона, а вместо них ставят специальные крюки с винтовой сцепкой, которые соединяются клином с тяговым аппаратом автосцепки. Вместо центрирующей балочки в розетку автосцепки устанавливается специальная скоба, обеспечивающая горизонтальное положение и нормальную работу крюка. При таком способе сцепления грузовые вагоны железных дорог России, курсирующие по западноевропейским дорогам, должны иметь стандартные боковые буфера, которые вместе со специальным переходным крюком снимаются после возвращения вагонов в Россию.
В боковых буферах вагонов западноевропейских железных дорог в качестве амортизирующих устройств применяются цилиндрические и спиральные пружины, а также упругие элементы, работа которых основана на эффективных принципах поглощения кинетической энергии удара. Например, применяются буфера, в корпусе которых размещены сменные вставки в виде последовательно соединенных витой цилиндрической пружины и эластомерного амортизатора с силиконовым эластомером (Польша); буфера с гидравлическими вставками, имеющие гидравлическую, компенсационную и газовые камеры (Великобритания).
На железных дорогах Западной Европы широко применяются 2-осные платформы с подвижным грузовым настилом для перевозки подвергающихся порче и опасных грузов. Амортизирующее устройство в виде подвижной погрузочной плиты опирается на раму платформы через ролики с тормозным механизмом. Ролики передвигаются по наклонным поверхностям в продольном направлении в зависимости от направления действия внешней продольной силы в поезде. Подвижная плита может перемещаться в обе стороны до 800 мм и подниматься вертикально до 100 мм. Для замедления плиты при перемещении св. 700 мм включается дополнительный амортизатор, установленный между погрузочной плитой и рамой вагона.
Специализированные вагоны и платформы для перевозки контейнеров имеют подвижные грузовые настилы со сдвоенными или одиночными гидравлическими амортизаторами (рабочий ход до 500-700 мм), размещаемыми в средней части хребтовой балки рамы платформы. Контейнеры могут иметь специальные упорные элементы или устанавливаться на промежуточных настилах, взаимодействующих с упорными поверхностями амортизатора.