Ударно – тяговые приборы
Ударно–тяговые приборы служат для сцепления локомотива с вагонами или другими локомотивами, передачи и амортизации продольных усилий, действующих во время движения в поезде и при маневрах. Подвижной состав отечественных железных дорог оборудован автосцепкой СА–3, обеспечивающей автоматическое сцепление единиц подвижного состава. Автосцепка состоит из корпуса с механизмом сцепления, привода для расцепления, центрирующего прибора и упряжного устройства с поглощающим аппаратом.
Автосцепное устройство предназначено для автоматического сцепления единиц подвижного состава и передачи продольных сил. Оно состоит из автосцепки с расцепным приводом, поглощающего аппарата, тягового хомута, ударной розетки, упоров и центрирующего механизма. Поглощающий аппарат предназначен для амортизации ударов и- демпфирования продольных колебаний. Тяговый хомут обхватывает поглощающий аппарат и шарнирно соединен клином с автосцепкой. Он передает силу тяги от автосцепки поглощающему аппарату; от него сила тяги через упоры передается на раму кузова или тележки. При полном срабатывании поглощающего аппарата продольные сжимающие силы от автосцепки передаются непосредственно через розетку на раму. На подвижном составе устанавливают автосцепку СА-3 (советская автосцепка, третий вариант), испытывают автосцепку СА-Д (советская автосцепка Э. А. Дзятко). У автосцепок СА-3 допустимое расстояние между продольными осями равно 100 мм в вертикальной и 175 мм в горизонтальной плоскостях.
Корпус автосцепки СА–3 (рис.2.1) представляет собой стальную пустотелую отливку, состоящую из головной части, в которой помещен механизм автосцепки, и хвостовика. Большой 1 и малый 4 зубья головной части корпуса образуют зев, из которого выступает рабочая часть замка 3 и лапа замкодержателя 2.
Рис.2.1 - Автосцепка СА–3:
1– большой зуб; 2– замкодержатель: 3– замок; 4– малый зуб; 5– отверстие для клина; 6– упор.
Механизм автосцепки (рис. 2.2) состоит из замка 1, замкодержателя 2, предохранителя замка 4, подъемника замка 3, вала 5. Сцепление автосцепок происходит автоматически при их соударении: малый зуб корпуса одной автосцепки скользит по направляющей поверхности малого или большого зуба другой и входит в зев. При этом малые зубья нажимают на выступающие части замков или замки нажимают друг на друга. Перемещаясь в крайнее положение, малые зубья освобождают замки, которые под действием собственного веса выходят снова в зевы, препятствуя обратному перемещению и расцеплению автосцепок. При этом перемещению замка внутрь корпуса препятствует замкодержатель, который входит в пространство между замком и стенкой корпуса автосцепки.
Рис. 2.2 - Механизм автосцепки
Чтобы расцепить автосцепку, необходимо повернуть рычаг расцепного устройства. При этом поворачивается подъемник, который уводит замок внутрь корпуса и удерживает его там до тех пор, пока не будут разведены автосцепки.
Для возвращения автосцепки (рис. 2.3) в центральное положение после боковых отклонений служит центрирующий прибор, состоящий из двух маятниковых подвесок о и центрирующей балки 7. Продольные растягивающие и сжимающие усилия от корпуса автосцепки поглощающему аппарату передаются с помощью упряжного устройства, которое состоит из хомута 1, клина 5, который связывает хомут с хвостовиком автосцепки, и упорной плиты 4. Поглощающий аппарат 2 с упорной плитой установлен между передними 10 и задними 11 упорами, закрепленными на продольных элементах рамы. Тяговые усилия от хвостовика автосцепки с помощью клина передаются хомуту, который, двигаясь вперед, сжимает поглощающий аппарат. От поглощающего аппарата через упорную плиту усилие передается хребтовой балке через передние упоры 10. Сжимающие силы от хвостовика автосцепки через упорную плиту передаются поглощающему аппарату и далее через задние упоры 11 хребтовой балке. Таким образом, поглощающий аппарат и при тяге и при торможении всегда воспринимает сжимающие усилия.
Рис. 2.3 - Ударно–тяговые приборы:
1– хомут; 2– поглощающий аппарат; 3– планка поддерживающая; 4– плита упорная; 5– клин; 6– кронштейн: 7– балка; 8– подвеска; .9– головка автосценки; 10– передний упор; 11– задний упор.
Поглощающие аппараты служат для уменьшения продольных сил, передающихся на рамы локомотивов и вагонов при маневрах и в переходных режимах продольных колебаний поезда.
Основными характеристиками поглощающих аппаратов являются энергоемкость– количество кинетической энергии удара, воспринимаемое аппаратом при сжатии, соответствующем полному ходу (усилие при этом не должно превышать 2МН), и коэффициент η необратимого поглощения энергии, равный отношению необратимо поглощенной энергии (механической энергии, преобразованной в другие виды энергии) к полной энергии, воспринятой аппаратом.
На грузовых локомотивах устанавливают пружинно–фрикционные аппараты Ш–1–ТМ. Корпус 5 аппарата (рис. 2.4) имеет внутреннюю поверхность в виде сужающегося шестигранника. К внутренним поверхностям корпуса примыкают три фрикционных клина 3, каждый из которых опирается на две грани. В собранном аппарате пружины 6 и 7 имеют предварительную затяжку, которая создается стяжным болтом 2, установленным между днищем корпуса и нажимным конусом 1. Скошенные поверхности нажимного конуса и нажимной шайбы 4 обусловливают образование сил распора, которые прижимают клинья к внутренней поверхности корпуса.
Рис. 2.4 - Пружинно–фрикционный поглощающий аппарат:
1– нажимной конус; 2– болт с гайкой; 3– клинья; 4– нажимная шайба; 5–корпус; 6, 7– пружины.
При сжатии аппарата нажимной конус и клинья перемещаются внутрь корпуса. Энергия, воспринимаемая аппаратом, затрачивается на упругую деформацию пружин и в большей степени рассеивается, т. е. из–за наличия сил трения (главным образом между корпусом и фрикционными клиньями) превращается в тепловую энергию. Энергоемкость аппарата Ш–1–ТМ составляет 40–50 кДж, ход аппарата 70 мм. Простота конструкции и малая стоимость определили широкое распространение пружинно–фрикционных аппаратов. Основным недостатком аппарата Ш–1–ТМ является нестабильность его работы, связанная со схватываниями трущихся поверхностей, срывами и проскальзываниями, а также склонность к заклиниванию аппарата.
Для повышения стабильности работы аппарата целесообразно вместо пары трения «сталь–сталь» применять пары «сталь–металлокерамика» или «сталь–полимер».
Представляет интерес использование гидравлических поглощающих аппаратов. В них силы сопротивления при перемещении подвижной части образуются вследствие перетекания жидкости через отверстия малого поперечного сечения. Силы гидравлического сопротивления пропорциональны скорости движения потока жидкости. Чем больше скорость соударения единиц подвижного состава, тем большую силу сопротивления развивает поглощающий аппарат, соответственно большей оказывается и его энергоемкость. Достоинствами гидравлических поглощающих аппаратов являются высокая энергоемкость, стабильная работа и небольшая масса. Эти преимущества проявляются при ударных процессах. В случае медленного нарастания действующих сил аппарат сжимается при достаточно малых силах и оказывается неподготовленным к восприятию последующих ударных нагрузок.
Для устранения этого в гидравлическом аппарате предусматривают полости со сжатым газом. В процессе перемещения подвижной части аппарата газ испытывает дополнительное сжатие и создаются силы упругого сопротивления. Эти силы при медленном нарастании обеспечивают благоприятную характеристику аппарата.
Основанные на этом принципе гидрогазовые аппараты разработаны в МИИТе. Аппарат ГА-100М имеет ход 70 мм и энергоемкость 90–100 кДж, аппарат ГА–500– соответственно 120 мм и 140 кДж.
Гидрогазовый аппарат ГА–100М (рис. 2.5) имеет камеры А и С, заполненные газом (азотом) при начальном давлении соответственно 0,4 и 9 МПа, и полость В, заполненную рабочей жидкостью (маслом АМГ).
Рис. 2.5 - Гидрогазовый поглощающий аппарат ГА–100М:
1– корпус; 2– нажимной поршень; 3, 5– плавающие поршни; 4– промежуточное дно; 6– шток; 7– дроссельные отверстия; 8– перепускные пазы (отверстия)
Процесс сжатия состоит из двух этапов. На первом этапе при перемещении поршня 2 шток 6 остается неподвижным; рабочая жидкость перетекает из полости В в полость В1 через отверстия 7, 8 и перемещает плавающий поршень 3, вызывая сжатие газа в камере А. На втором этапе поршень 2, упираясь в выступ штока 6, перемещает поршень 5, вызывая сжатие газа в камере С. Гидравлическое сопротивление на втором этапе увеличивается, так как отверстия 8 закрываются выступами штока 6. Обратный ход аппарата осуществляется силами упругости сжатого газа в полостях А и С.
Гидрогазовые аппараты обладают рядом недостатков: сложность конструкции, высокая стоимость и трудоемкость изготовления, трудность обеспечения надежности уплотнений в течение длительного срока.
На пассажирских локомотивах и вагонах применяются поглощающие аппараты ЦНИИ–Нб, которые имеют пружинную и пружинно–фрикционную части, соединенные последовательно. При малых усилиях работает пружинная часть, в более тяжелых режимах смягчение ударов обеспечивается пружинно–фрикционной частью аппарата. Большая эластичность пружинной части обеспечивает необходимую плавность при трогании поезда с места. Однако аппараты ЦНИЙ-Н6 имеют относительно сложную конструкцию, а их фрикционная часть работает недостаточно стабильно.
Пассажирские локомотивы оборудуют также резинометаллическими поглощающими аппаратами Р–2П (резиновый, второй вариант, пассажирский), которые по сравнению с аппаратами ЦНИИ–Н6 имеют меньшую массу и более простую конструкцию. Рабочую часть аппарата Р–2П составляют девять резинометаллических элементов, каждый из которых состоит из резиновой пластины (толщина 41,5 мм, площадь поперечного сечения 265×220 мм), привулканизированной к двум стальным листам (толщина 2 мм). Пластины изготовляют из резины 7–ИРП–1348.Энергоемкость аппарата в среднем равна 22 кДж. Коэффициент необратимого поглощения энергии составляет 45%. Наибольшее усилие в конце хода сжатия не превышает 1 МН. Достоинствами резинометаллических поглощающих аппаратов являются простота конструкции, малая масса и относительная стабильность силовой характеристики.
Уменьшение продольных растягивающих и сжимающих усилий, передающихся через автосцепку на раму кузова и другие части вагона, обеспечивается поглощающим аппаратом за счет преобразования кинетической энергии соударяющихся масс в работу сил трения и в потенциальную энергию деформации упругих элементов аппарата.
По типу рабочего элемента и принципу действия различают следующие виды поглощающих аппаратов: пружинные, пружинно-фрикционные, резиновые, резинофрикционные, гидравлические, пневматические, эластомерные, гидрогазовые и гидрофрикционные. Наиболее широко используются пружинно-фрикционные, резинометаллические и эластомерные.
Общие технические требования к аппаратам грузовых вагонов определяются отраслевым стандартом – ОСТ 32.175-2001 «Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов». Стандарт предусматривает 4 класса аппаратов по основным технологическим показателям: Т0, T1, T2, ТЗ.
Аппараты класса Т0 могут использоваться только как запчасти или на вагонах ограниченного применения. Эти аппараты имеют конструктивный ход 70 – 100 мм, максимальная энергоемкость не менее 50 кДж, а номинальная – не менее 40 кДж.
Аппараты класса Т1 могут устанавливаться на все виды неспециализированного подвижного состава, а также на вагоны, предназначенные для эксплуатации в маршрутных поездах. Ход таких аппаратов составляет 90 – 120 мм, максимальная энергоемкость не менее 90 кДж, а номинальная – не менее 70 кДж.
Специализированные вагоны, перевозящие опасные и дорогостоящие грузы, должны оборудоваться аппаратами классов Т2 и Т3. Аппарат класса Т2 при ходе 90 – 120 мм должен иметь максимальную энергоемкость не менее 130 кДж, а номинальную – не менее 100 кДж. Для аппаратов класса ТЗ ход должен быть 120 мм, максимальная энергоемкость 190 кДж, а номинальная 140 кДж. Стандартом установлены также и некоторые дополнительные требования, которые контролируются при сравнительных оценках аппаратов. Контроль показателей аппаратов осуществляется в процессе сертификационных испытаний. Энергоемкость аппарата устанавливается, исходя из условий соударения вагонов массой брутто 100 т, при усилии, действующем на вагон – 2 МН; исходя из этого определяется допустимая скорость соударения вагонов. Согласно Правилам технической эксплуатации скорость соударения вагонов не должна превышать 5 км/ч, однако в практике эксплуатации, ввиду небрежности обслуживающего персонала или неисправности технических средств, возможно соударение вагонов с более высокими скоростями, что приводит к повреждениям вагонов и грузов, поэтому поглощающие аппараты должны иметь необходимый запас энергоемкости. Так, аппараты нулевого класса (уже на новые вагоны не ставятся) имеют допускаемую скорость соударения 6 – 7 км/ч, класс Т1 – до 9 км/ч, Т2 – 10 – 12 км/ч, ТЗ до 14 км/ч.
Поглощающие аппараты пассажирских вагонов по своим характеристикам отличаются от аппаратов грузовых вагонов, поскольку помимо защиты вагонов предъявляются и требования по обеспечению комфорта пассажиров. Вновь выпускаемые аппараты имеют энергоемкость не менее 45 кДж при силе 1,5 МН. При этом начальное сопротивление должно находиться в пределах 50 – 110 кН. Наличие буферов у пассажирских вагонов снижает вибрацию и повышает плавность хода при движении поезда.