1.4. Буксы

Букса (немецк. Box ящик, коробка, втулка — чугунная или стальная коробка для подшипников подвижного состава) один из самых важных узлов любого вагона, не менее ответственный, чем колесная пара. Вагонные буксы чаще всего располагаются на консольных частях колесной пары (рис. 1.30).

Рис. 1.30. Традиционное расположение букс на колесной паре: 1-ось, 2-колесо, 3- корпус буксы, 4-подшипники

1.4.1. Назначение и классификация

Буксовые узлы появились давно, вместе с колесами [1].

Конструктивно те изменения, которые произошли с буксами, мы отразили в выборе следующих классификационных признаков:

- назначение: силовое взаимодействие с кузовом и колесной парой, соединение их между собой, преобразование вращательного движения в поступательное, минимизация сопротивления трения в узле;

- составность конструкции: поэлементная или узловая;

- выбор соединения с вагоном: жесткий или упругий;

- выбор вида трения между вращающимися и неподвижными частями буксы: скольжения или трения;

- способ передачи нагрузок: радиальный непосредственный или хомуто-образный опосредованный;

- состав подшипникового узла: одиночный или многоэлементный;

- используемая смазка подшипников: жидкая или консистентная;

- обеспечение герметичности буксы: уплотнительными материалами или выбором конструкции буксы.

Результаты проведенного обобщения были сведены в таблицу 1.7 и рис. 1.31. По этим данным можно не только проследить весь путь трансформации букс вагонов с начала вагоностроения до наших дней, но и наметить пути дальнейшего их развития.

Таблица 1. 7. Буксы вагонов

№ пп	Классификационный признак	В а р и а н т ы
1 2 3 4 5 6 7 8 9	Назначение, для Конструкция Способ соединения с частями вагона Тип подшипника Крепление подшипника на оси Передача нагрузки на корпус буксы Количество подшип-ников в буксе Смазка Герметизация корпуса	Силового взаи- Соедине- Преобразования Для создания низ- модействия вагона ния с колес- вращение колес- кого трения в уз- и колесной пары ной парой и ной пары в дви- ле преобразова- (1) вагоном (2) жение вагона (3) вания (4) Сборная из элементов (5) Сборная из узлов (6) Жесткий с направляющими (7) Упругий (8) Скольжения (9) Роликовый (10) Сферический (11) Комби (12) Втулочный (13) Тепловой (14) Сверху (15) Сбоку (16) Один (17) Несколько (18) Жидкая (19) Консистентная (20) Уплотнительными материалами (21) Конструкцией корпуса (22)
Исполнение

.

Рис. 1.31. Схематические изображения классификационных признаков табл. 1.7.

Таким образом, буксы необходимы:

- для обеспечения силового взаимодействия тележки/вагона и колесной пары 1 (табл. 1.7, рис. 1.31). Буксы находятся в общей силовой цепи между вагоном и путем. Они воспринимают и передают все виды нагрузок. От того, как видятся конструктору наилучшие условия этого взаимодействия, буксы приобретают тот или иной вид и выбираются соответствующие этому материалы;

- для соединений буксы с колесной парой и тележкой/рамой вагона 2; это подвижное соединение, допускающее их линейные и угловые перемещения;

- для преобразования вращения колесной пары в поступательное движение вагона 3; это, по сути, главное для чего необходимы буксы, так как само по себе вращение колесной пары никому не нужно, важно перемещение груза в вагоне; и вся история развития колеса – тому яркое подтверждение;

- для минимизации трения в подшипниковом узле 4; затраты на перемещение вагона всегда старались минимизировать. Это достигалось так, чтобы они обеспечивали снижение сопротивления движению, особенно в подшипниковом узле.

Конструктивно буксовый узел состоит (рис. 1.32) из силового корпуса-емкости, подшипников, смазки и различного рода адаптеров (лат. adapto приспособляю – различного рода приспособления, связывающие основные части между собой).

Рис. 1. 32. Элементы буксы вагона

Корпус буксы спереди закрывается смотровой и крепительной крышками, а сзади, со стороны колеса – лабиринтным кольцом. Он устанавливается в раме тележке или на раме вагона по-разному с использованием специальных адаптеров.

Обычно все перечисленные элементы буксы выполняются и собираются в единую конструкцию последовательно, поотдельности. Такие буксы называют составными 5. В последнее время некоторые части буксы стали объединять в узлы. Так был создан подшипник, получивший название кассетный. Это безремонтный узел полностью заводской сборки, объединяющий в единое целое два конических подшипника, передний и задний уплотняющие элементы и заправленный смазкой (рис. 1.33). Такой подшипник остается только закрепить на шейке оси и соединить его с рамой тележки. Такие буксы стали называть сборными, составленными из узлов 6.

Рис. 1. 33. Букса вагона с кассетным подшипником.

Соединение буксы с рамой тележки или рамой вагона (при бестележечном вагоне) может осуществляться жестко 7, но подвижно в различных направляющих (их часто называют челюстями) или упруго 8, используя жесткость рессорного подвешивания. При этом, жесткое соединение увеличивает массу необрессоренных частей вагона, вовлекая в них массы букс и рамы тележек. Упругое же соединение, наоборот, - уменьшает. Сейчас жесткое соединение используется в тележках грузовых вагонов (например, в базовой тележке 18-100), а упругое,- в тележках пассажирских вагонов (тележки типа ЦМВ). Упругое подвешивание совмещают также с направляющими. Это было сделано в тележках пассажирских вагонов КВЗ-5, КВЗ-ЦНИИ и ТВЗ ЦНИИ М.

Сначала в буксах подшипник, как опора, выполнялся в виде простого отверстия в приливах тележки. В него вставлялась шейка колесной оси. Это были простейшие подшипники скольжения 9. С течением времени они усложнялись. Появились: устройство для подачи смазки, вкладыши из антифрикционных сплавов, уплотнения и др. части. В какой-то степени можно утверждать, что конструктивно эти буксы были доведены до совершенства. Однако со временем к ним начали предъявлять повышенные требования, связанные с необходимостью использовать поезда повышенной массы. Мощностей паровоза в то время было недостаточно для ведения таких поездов, особенно на начальных режимах, для преодоления сил покоя. К этому же примешивались другие проблемы: необходимость иметь штат работников, следящих за состоянием букс в эксплуатации; решать проблемы экологии, связанные с загрязнением территории станционных путей и рельсов, повышать сцепление колес с рельсами из-за накопления на головках рельсах остатков смазки и др. Решение всех этих проблем виделось в использовании подшипников качения 10, которые, как тогда казалось, были лишены этих недостатков. Тем более что в стране усиленно развивалась подшипниковая промышленность и, благодаря СМИ, рассматривалась как передовая. В то время было создано мощное лоббирования этого направления из Международной Организации сотрудничества подшипниковой промышленности стран Восточной Европы (Болгария, Венгрия, Германия, Польша, Румыния, Советский Союз и Чехословакия), объединений других стран мира (шведский концерн SKF, североамериканские фирмы "Тimken & К°", "Фарнир Беринг К°", японские "Ниппон сэйко", "Коё сэйко", "Тоё бэринг", английские "Рэнсом-Гофман - Поллард", немецкие "Кугель-фишер Георг Шифер унд К°", итальянские "Оффичине ди Виллар Пероза"), французские "Сосьете нувель де рульман" и др.). И, не смотря на значительные затраты (букса с подшипниками качения в те времена стоила в десятки раз больше аналогичного узла с подшипниками скольжения), замена вагонов на подшипники качения начала производиться. К 1995 году она была завершена. С этого момента все вагоны в стране выпускаются и эксплуатируются только на подшипниках качения.

Среди многочисленной номенклатуры подшипников качения для вагонов были выбраны роликовые 10, которые по допустимой окружной скорости вращения (10 – 20 м/с) и по грузоподъемности наилучшим образом удовлетворяли конструкторов.

При консольной схеме нагружения происходила деформация оси, которая приводила к наклону корпуса буксы (см. п.11 рис.1.31) и изменялась схема его нагружения. Для компенсации этого было предложено использовать самоустанавливающие подшипники со сферическими роликами 11. Они допускали изменение положения оси нагружения по отношению к оси вращения - кольца подшипника так поворачивались друг относительно друга, что наружное кольцо всегда оставалось горизонтальным независимо от поворота оси вращения внутреннего. Корпус буксы с такими подшипниками всегда сохранял свое горизонтальное положение и как бы «не замечал» изгиба оси. Однако на практике изгиб оси под нагрузкой оказался меньше ожидаемого и от этих подшипников, как значительно более дорогих, впоследствии отказались.

При движении колесная пара, подобно маятнику, перемещается поперек оси пути. Для ее ограничения в подшипниковых узлах вагонов скоростного движения, было предложено использовать в буксах дополнительно упорные шариковые подшипники. Так появились комбинированные буксы 12.

Подшипники скольжения располагаются на шейку оси сверху и удерживаются в таком положении корпусом буксы 15.

Подшипники качения замкнутые и не разъемные, для них метод закреп-ления на колесной паре очень важен. До тех пор, пока не были созданы разборные подшипники, установка подшипников качения на колесную пару производилась с использованием втулочной посадки 13. Для этого внутреннее кольцо подшипника делалось изнутри коническим и больше диаметра шейки. Это позволяло свободно надевать подшипник на шейку, а в пространство между ними вставлять коническая втулка. Осадив ее, подшипник закреплялся на оси. Он удерживался на шейке силами трения между сопрягающимися поверхностями. Наружное кольцо в корпусе буксы закреплялось традиционным способом: холодной прессовой, тепловой посадкой или устанавливалось свободно.

Втулочное закрепление подшипников на колесной паре оказалось сложным, как в устройстве, так и в работе. Его перестали использовать тогда, когда появились разборные подшипники. Они позволяют закреплять по отдельности кольца в корпусе буксы и на шейке. Для этого использовалась тепловая посадка 14.

Мы уже упоминали об особенностях буксовых узлов вагонов. У них нагрузка на подшипник передается сверху, а от него, - на ось, а не наоборот, как это используется в общем машиностроении. Поэтому и подшипник у нас не подшипник, а надшипник, так как располагается не под, а над шипом, шейкой. В вагонах нагруженной является только верхняя часть поверхности шейки, которая составляет не более 90^о сечения. Под нее и изготовляется подшипник. Он охватывает только ¼ верхней части шейки оси. Проблему составляет удержание подшипников в таком положении. Это решает корпус буксы прямоугольной формы с передачей нагрузки на него сверху, через потолок 15.

На подвижном составе подшипники качения первыми начали применять в пассажирских вагонах. При традиционной передаче нагрузки, сверху на буксу через потолок, нагруженными были только верхний и два боковых ролика. Остальные, - оказывались не нагруженными. Это посчитали ненормальным. Появилась необходимость включить в работу большее число роликов. Она разрешилась за счет придания корпусу буксы хомутообразной формы. Нагрузку стали передавать через боковые приливы, балансиры. В результате, в работу включилось больше на ⅓ количество роликов. Так появились буксы с боковой загрузкой 16.

Использование кассетных подшипников опять привело к вертикально- радиальной загрузке буксы, при которой нагруженными были только три верхних ролика подшипника.

В буксовом узле в зависимости от грузоподъемности и скорости движения может располагаться один 17 или несколько 18 подшипников.

В буксах с подшипниками качения используется, как правило, консистентная 20 (лат. cosisto густею – высоковязкие мази, получаемые путем сгущения минеральных или синтетических масел; применяются для смазывания при невозможности непрерывной подаче жидкой смазки. Их важнейшие свойства: высокая температура каплепадения, прилипаемость к поверхности трения, стабильность, работа при температурах от -60 до +200 ^оС. Наиболее распространены среди них: литол, технический вазелин, солидол, консталин и др.) смазка. Ранее в буксах с подшипниками скольжения исполь-зовались отходы крекинга нефти, дешевый мазут 19, который с успехом справлялся со сложными проблема смазки букс вагонов.

Важнейшей задачей обеспечения надежной работы буксового узла является его герметичность. Заметим, что первоначальное значение слова «букса» была «втулка» - часть цилиндрической трубы с открытыми концами, которую нужно было закрывать спереди, с внешней стороны колесной пары, и сзади, с внутренней стороны.

В буксах с подшипниками скольжения надежную герметизацию буксового узла создать не удалось. Спереди, корпус закрывался смотровой крышкой, которая открывалась часто. Она использовалась для контроля состояния работы подшипникового узла и пополнения смазки. Сзади, устанавливалась так называемая «пылевая шайба» 21, которая должна была плотно охватывать предподступичную часть оси и заднюю часть корпуса буксы. Однако неплотности оставались и через них загрязнения поступали в корпус, нарушая условия смазки, и наружу, приводя к загрязнению станционных путей и рельсов.

Подшипники качения проблему герметизации букс сняли. В этих буксах использовались лабиринтные (греч. Labyrinthos запутанность, сложность – запутанное сложное расположение системы каналов с невозможным выходом из нее) уплотнения 22 и специальные материалы, которые изолировали подшипниковые узлы буксы от окружающей среды.

Таким образом, проведенная систематизация позволила в довольно экономной форме проследить практически за всеми известными конструкциями букс, выявить их характеристические особенности и показать возможность их использования для новых решений.

Ниже более подробно рассмотрим основные элементы букс.