Выбор принципиальной схемы автотормоза восьмиосной цистерны модели 15-1500

3.   Выбор принципиальной схемы автотормоза восьмиосной цистерны модели 15-1500

3.1.      Оценка эффективности типового тормоза

При описании конструкции восьмиосной цистерны для светлых нефтепродуктов, модели 15-1500 в первой части уже говорилось о том, что пневматическая часть, включающая авторежимы в условиях длительных торможений, при использовании последнего не дает желаемого результата. Были случаи заклинивания колесных пар обезгруженной четырехосной тележки. При этом достаточно сложная регулировка и низкий уровень технического обслуживания привели к тому, что в цистернах авторежимы не всегда используются.

Существует целый ряд и других существенных недостатков типовой схемы автотормоза, к которым следует отнести:

1)                     низкий коэффициент полезного действия тормозной рычажной передачи;

2)                     большое количество рычагов и тяг, увеличивающих общую массу тары вагона;

3)                     наличие клиновидного износа тормозных колодок, обуславливающего их повышенный расход;

4)                     дополнительное сопротивление в движении, обусловленное особенностью механизма;

5)                     сложность в обслуживании и регулировке;

6)                     завышенные передаточные числа рычажной передачи, что особенно важно при расчете обеспеченности подвижного состава тормозными средствами. Определим необходимость поиска альтернативных систем автотормоза.

3.2.      Оценка принципиальных схем усовершенствования рычажной передачи восьмиосной цистерны

В результате научных исследований, проведенных МИИТом, ВНИИЖТом, ВНИИВом была предложена схема автотормоза, основанная на принципе индивидуального привода на каждую четырехосную тележку, то есть система с двумя тормозными цилиндрами. При этом может быть достигнуто:

1)                    Уменьшение массы продольных элементов механизма, рычажной передачи тормоза;

2)                     Упрощение конструкции рычажной передачи и повышение коэффициента полезного действия тормозной рычажной передачи до 0,92;

3)                    Исключение касания колодок о колеса во время тяги, и тем самым уменьшение энергетических затрат на движение поезда, а также существенное снижение расхода тормозных колодок;

4)                    Повышение эффективности торможения и эксплуатации восьмиосных вагонов с тормозными колодками из различных фрикционных материалов;

5)                    Снижение трудоемкости содержания и регулировки рычажной передачи.

Вместе с этим, появляется возможность реализации меньших передаточных чисел.

Ознакомление с научно-исследовательскими работами в области совершенствования автотормозного оборудования показало, что на сегодняшний день имеется несколько принципиальных схем автотормозов, в основе которых лежит принцип индивидуального привода. Рассмотрим их с точки зрения возможного применения на заданный вагон.

Накопленный опыт по проектированию восьмиосных цистерн для перспективных условий эксплуатации позволил сформулировать следующие технические требования для тормозной системы восьмиосных вагонов:

1)                     тормозная система должна удовлетворять действующим нормативам МПС;

2)                     механическая часть тормозной системы может иметь несколько отдельных рычажных передач, кинетически не связанных между собой, а КПД отдельной рычажной передачи должен быть не менее 0,9;

3)                     рычажная передача тормоза должна размещаться на различных типах магистральных вагонов, то есть быть унифицированной;

4)                     структура рычажной передачи механизма тормоза должна соответствовать требуемой подвижности звеньев и исключать избыточные связи и излишнюю многозвенность;

5)                     отвод тормозных колодок от колеса в отпущенном состоянии тормоза должен быть полным, а при наличии специального механизма отвода колодок, последний не должен ухудшать кинематику и изменять силовые характеристики рычажной передачи;

6)                     между элементами рычажной передачи и осями колесных пар должен быть обеспечен гарантированный зазор, исключающий их взаимодействие.

На основе этих требований была разработана схема тормоза с индивидуальным приводом, содержащая в консольной части узел в виде горизонтального тормозного вала 9 с равноплечными рычагами 10 и 11, короткой трехзвенной тягой 6, соединяющей нижний рычаг 11 этого вала с рычажной передачей тормоза за наружной двухосной тележкой (рис.3.1.). Однако опыт эксплуатации цистерны с такой тормозной системой выявил конструктивные недостатки усовершенствованной тормозной рычажной передачи. В частности оказалось, что при прохождении вагоном сортировочной горки, а также износов деталей или прогибе рессорных комплектов, в консольной части возможны касания торцом вертикального рычага горизонтального вала оси крайней колесной пары.

По полученным нормативам [3] зазор у крайней колесной пары должен составлять 190мм, однако, достижение указанного гарантированного зазора в восьмиосной цистерне с горизонтально расположенным валом в усовершенствованной передаче автотормоза без изменения типовой конструкции консольной части вагона не представляется возможным. Кроме того, такую схему индивидуального привода автотормоза на каждую четырехосную тележку невозможно использовать на восьмиосном полувагоне, что не отвечает требованиям унификации. Тем более, такой вариант не может быть использован в конструкции вагона.

СХЕМА

Другой вариант схемы с индивидуальным приводом разрабатывался на базе автотормоза с горизонтальным тормозным валом, только вместо него установлен был вертикально расположенный тормозной вал 9 с закреплением его на хребтовой балке вагона (рис.3.2). В процессе разработки были установлены и рассмотрены две схемы:

1)                     с расположением вала сбоку на хребтовой балке в сечении по месту размещения горизонтального вала;

2)                     с расположением вала сбоку на хребтовой балке, но рядом с буферным брусом.

Такое размещение узла усовершенствованной тормозной рычажной передачи в консольной части вагона теоретически позволило увеличить зазор между осью крайней колесной пары и трехзвенной тягой до гарантированного, удлинить эту тягу, а следовательно уменьшить воздействие тормозных колодок на колеса при движении вагона в кривых малого радиуса. Принципиальная схема тормозной рычажной передачи с вертикальным валом показана на рис 3.2. в отличии от конструкции с горизонтальным валом, индивидуальный привод тормоза четырехосной тележки имеет вертикальный вал, снабженный жестко установленными по торцам в горизонтальной плоскости разноплечными рычагами 10 и 11. Для вала, размещенного на хребтовой балке цистерны по местоположению бывшего горизонтального вала, длина верхнего (ведущего) рычага 10 выбрана равной 210мм, а нижнего (ведомого) рычага 11-370мм [3]. У вала, установленного вблизи буферного бруса, длина этих рычагов составляет 195мм и 350мм, соответственно. Общая длина тылового наклона рычага уменьшилась до 550мм, а длина его нижнего плеча стала 215мм при постановке на вагон композиционных колодок и 100мм при чугунных. Указанные величины длин плеч рычагов были определены с учетом их расположения в существующей конструкции консольной части цистерны и сохранения ранее принятого для индивидуального привода тормоза передаточных чисел: 5,84 – для композиционных и 10,05 - для чугунных колодок.

В результате эксплуатации восьмиосных цистерн с тормозной рычажной передачей, переоборудованной по вновь предложенной принципиальной схеме, было установлено, что компоновка узла усовершенствованной рычажной передачи с использованием вертикального вала позволяет обеспечить гарантированный зазор в консольной части вагона между осью крайней колесной пары и четырехзвенной тягой. В первом варианте установки вала указанный зазор достигал 210мм, а во втором – 200мм.

Следует также отметить, что по сравнению со схемой рычажной передачи, имеющей горизонтально расположенный тормозной вал, удалось достичь снижения уровня усилий, возникающих при повороте тележки относительно котла при прохождении вагоном кривых участков малого радиуса, а следовательно и уменьшения сопротивления движению вагона в кривых малого радиуса.

Однако, обнаруженные недостатки делают данную схему неприемлемой для тормозной системы на вагоне с повышенной осевой нагрузкой. К ним можно отнести следующие:

1)                    в кривых малого радиуса происходит наклон вертикального рычага в вертикальной плоскости и поперечном направлении цистерны, что указывает на возможность выворачивания не только этого вертикального рычага, но и соединенного с ним триангеля;

2)                     при движении вагона в кривой радиусом 60м появляется возможность касания колесом тележки установки вертикального вала в районе размещения его у горизонтального;

3)                    появляются трудности по реализации такой передачи на восьмиосном полувагоне, особенно с разгрузочными люками в раме кузова, что не отвечает требованию унификации.

При всех указанных достоинствах индивидуального привода автотормоза не удалось найти конструктивного варианта, решающего в полной мере проблему узла рычажной передачи В консольной части вагона, где в стесненных условиях, обусловленных размещением на сравнительно ограниченном пространстве хребтовой балки опоры котла автосцепного устройства, рычажного привода автосцепки и магистрального воздухопровода, вынуждены были также искать место для расположения тормозного вала и трехзвенной тяги. Поэтому от размещения передаточного звена в консольной части вагона пришлось отказаться. Таким образом, для подключения тормозного цилиндра к рычажной передаче тележки стало необходимым использование конструкции соединительной балки.

Новая конструкция передаточного узла для тормозной рычажной передачи четырехосной тележки восьмиосного вагона представляла собой горизонтальный вал, закрепленный под соединительной балкой в непосредственной близости от центрального подпятника и жестко закрепленные на концах вала рычаги, шарнирно связанные соответственно с продольной тягой вагона и промежуточной осевой тягой тележки.

Вместе с тем, что такое решение позволяет выполнить намеченную функцию, оно имеет существенные недостатки, к которым можно отнести большую протяженность продольной тяги, необходимость ее крепления на торце соединительной балки и удаленность места расположения тормозного цилиндра от четырехосной тележки. Это позволяет считать такой вариант конструкции недоступным для внедрения.

Поэтому было решено пропустить осевую тягу наружной двухосной тележки со стороны консольной части вагона, на среднюю, для соединения ее с рычагом тормозного цилиндра через соединительную балку под центральным подпяником. Это стало возможным, поскольку выпускаемые соединительные балки имеют сквозные отверстия в подкрепляющих подпятник поперечных диафрагмах жесткости.

Принципиально новым решением стало закрепление тылового рычага тормозного цилиндра не на котле, а непосредственно на соединительной балке тележки с помощью вертикально установленной на наружной поверхности балки по продольной от ее симметрии, у подпятника, специального кронштейна.

На рис.3.3 показана схема усовершенствованной рычажной передачи автотормоза с рычагом тормозного цилиндра 1, размещенного на соединительной балке 11 тележки. Из сравнения с предыдущими схемами видно, что в новой усовершенствованной рычажной передаче сокращено число элементов – отсутствует тормозной вал с рычагами и тыловая тяга. Роль последней выполняется осевой тягой 6 наружной тележки, соединение которой с тыловым рычагом тормозного цилиндра предусмотрено внутри соединительной балки 11 четырехосной тележки примерно в той зоне, где в типовом тормозе восьмиосной цистерны находится шарнирное соединение малой обводной тяги с малым обводным рычагом 8.

Другой узел – «мертвая» точка 4 передачи, образованной шарнирным закреплением в верхней части кронштейна 10 балки тылового рычага тормозного цилиндра 1, находится внутри полости хребтовой балки 12 опоры котла цистерны 2.

Ограничительной особенностью унифицированной рычажной передачи является размещение по продольной оси симметрии вагона тяг 18 и 20, соответственно внутренней и наружной двухосных тележек, а также распорной тяги 5 рычагов тормозного цилиндра, с которой последовательно жестко соединена установка регулятора передачи 21. Причем тяга тележки 7 находится непосредственно по распорной тягой 5. Головной рычаг 3 тормозного цилиндра 1 и разноплечный балансир 8 располагаются в горизонтальной плоскости и на одном уровне, а тыловой рычаг помещен в вертикальной плоскости и закреплен своей верхней частью на кронштейне 10 соединительной балки 11. Тормозной цилиндр 1 практически установлен под котлом цистерны 2 вблизи крайней внутренней колесной пары.

Для возможности шарнирного соединения тяги тележки с балансиром 8, головки которых находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях, применен специальный переходник, представляющий собой своеобразную угловую серьгу 9.

Кронштейн для подвески тылового рычага, состоящий из двух симметричных частей, был размещен и приварен сверху с каждой стороны продольного технологического окна на соединительной балке 11 с удалением от центра подпятника на 0,46м. При этом обнаружились существенные недостатки конструкции кронштейна. Габаритные размеры его по высоте и ширине (с учетом ширины технологического окна балки) составили соответственно 0,335 и 0,29м. На основании же исследований, из условия прохождения вагоном сортировочной горки и кривой с радиусом до 60м, допускаемая высота кронштейна должна быть не менее 0,346мм, а ширина в сборе с рычагом и валиком шарнира кронштейна – менее 0,2м [3]. Практически неизменная ширина кронштейна по всей его высоте усложняет постановку валика в отверстии кронштейна при не выкаченной из-под вагона тележки и требует в этом случае обязательного выполнения окна в стенке хребтовой балки опоры котла.

Поэтом была изготовлена новая конструкции кронштейна с изменяемой по высоте шириной, максимальная величина которой значительно ниже 0,2м. Можно отметить, что кронштейн, с подвешенным тыловым рычагом, установлен с большим запасом по отношению к стенке и потолку хребтовой балки опоры котла. При прохождении вагоном сортировочной горки смещение в вертикальной плоскости кронштейна не превышает 0,037м, а образовавшийся после установки кронштейна зазор превышает возможное смещение.

Обеспечение вагона тормозными средствами характеризуется следующими подсчитываемыми величинами коэффициентов расчетного нажатия тормозных колодок [3];

Для чугунных тормозных колодок:

на груженом режиме δ_р =0,33;

на порожнем режиме δ_р =0,61.

Для композиционных тормозных колодок:

на среднем режиме δ_р =0,16;

на порожнем режиме δ_р =0,32.

Расчетная величина выхода штока тормозного цилиндра с учетом свободного зазора между колесами и колодками 5-8мм и упругими деформациями элементов рычажной передачи соответствовала установленным нормами величинам и составляла 91-120мм при чугунных и 47-64мм при композиционных колодках [4].

При проверке автотормоза на отсутствие юза колесной пары в процессе торможения, полученные расчетные коэффициенты сцепления не превышали допускаемые значения.

Полученные расчетные характеристики позволили обоснованно сделать заключение, что тормозная система с унифицированным раздельным приводом на четырехосные тележки отвечает требованиям МПС и обеспечивает необходимые нажатия тормозных колодок и достаточную эффективность на всех режимах торможения.