ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТОРМОЗНОЙ РЫЧАЖНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ВВЕДЕНИЕ

Тормозная рычажная передача (ТРП) является важным элементом системы пневматического тормоза подвижного состава железных дорог.

Для безотказной и эффективной работы тормозная рычажная передача должна удовлетворять определенным требованиям, к которым в частности относится выбор оптимальной ее структуры. В данной работе приведена методика структурного анализа ТРП на примере четырехосных и восьмиосных вагонов исходя из предъявленных к ним требованиям и даны рекомендации по их совершенствованию. Изложена методика синтеза тормозных рычажных передач правильной структуры в соответствии с которой определяется оптимальное количество звеньев ТРП, их взаимодействие и реализуемое число степеней свободы в зависимости от конструкции экипажной части подвижного состава и принятой схемы торможения.

1. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ТОРМОЗНЫХ РЫЧАЖНЫХ ПЕРЕДАЧ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1 Общие положения

На подвижном составе железных дорог большое распространение получили пневматические автоматические тормоза, у которых тормозной силой является сила F сухого трения колодки, прижатой к ободу колеса (см. Рисунок 1).

Эта сила реализуется в контакте колеса с рельсом в виде силы сопротивления Fc, величина которой зависит от условий сцепления колеса и рельса.

Прижатие колодки к ободу колеса можно осуществить с помощью механизма, состоящего из тормозного цилиндра 1, подвески 6 и звеньев 4 и 5, передающих усилие от тормозного цилиндра на колодку 7.

Если это механизм расположить в средней части продольной плоскости вагона, а колодки соединить жестко поперечным брусом (триангелем), то одновременно будет осуществляться их прижатие к обоим колесам.

При торможении поступающий в тормозной цилиндр сжаты воздух передвигает поршень 2, поворачивая при этом вертикальный рычаг 4, который через рычаг 5 прижимает колодку 7 к ободу колеса.

По окончании процесса торможения воздух из тормозного цилиндра выпускается, пружина 3 перемещает поршень в исходное положение, а тормозные колодки отводятся от обода колеса – происходит процесс отпуска тормоза. Отвод колодок от обода колеса происходит также под действием моментов сил тяжести, звеньев механизма относительно неподвижных осей их подвешивания к раме тележки. Представленный на Рисунке 1 механизм имеет одну степень свободы, т.е. в нем осуществляется одно, вполне определенное движение звеньев.

Рисунок 1. Возникновение тормозной силы

Число степеней свободы W механизма (см. Рисунок 1) определим по формуле Чебышева П.Л. для плоских механизмов:

где n – количество подвижных звеньев;

р_Н – количество низших кинематических пар;

р_В – количество высших кинематических пар.

В тормозных механизмах применяются в основном низшие кинематические пары, обладающие более развитой поверхностью и воспринимающие большие усилия без разрушения.

В нашем случае n = 5 (звенья 2, 4, 5, 6, 8); р_Н = 7; р_В = 0; W=1. Для повышения эффективности торможения на практике используются двухстороннее нажатие на одно колесо или же одностороннее нажатие на каждое колесо (колесную пару) в двухосной тележке. Так как в этом случае необходимо осуществить два независимых нажатия (движения), то, как известно, для их реализации применяются механизмы с двумя степенями свободы, например, механизм, показанный на Рисунке 2.

Рисунок 2. Механизм торможения с двумя степенями свободы

В этом механизме звенья 1,2,3,4 образуют так называемый пятизвенник, число степеней свободы которого W = 2. При торможении здесь происходит последовательное прижатие тормозных колодок к колесам, чего невозможно было бы сделать в механизме с одной степенью свободы.

1.2 Структурный анализ тормозных рычажных передач

Тормозной рычажной передачей (ТРП) называется система тяг и рычагов, посредством которых сила давления воздуха на поршень тормозного цилиндра передается на тормозные колодки, прижимая их к колесам. Тормозная рычажная передача железнодорожного подвижного состава представляет в общем случае сложную пространственную кинематическую цепь. Если, однако, принять, что ошибки в линейных и угловых параметрах этой цепи равными нулю, и считать ее симметричной относительно средней продольной плоскости вагона, то ее можно рассматривать, как плоскую кинематическую цепь. Для примера рассмотрим ТРП четырехосного грузового вагона (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Тормозная рычажная передача четырехосного грузового вагона

Рисунок 4. Тормозная рычажная передача двухосного грузового вагона

Так как обе тележки четырехосного грузового вагона имеют одинаковую ТРП, рассмотрим более подробно тормозную рычажную передачу двухосной тележки (см Рисунок 4). На Рисунке 5 показана конструкция элементов (звеньев) ТРП и их расположение на тележки 4-х осного грузового вагона.

Рисунок 5. Конструкция элементов ТРП четырехосного грузового вагона

Число степеней свободы ТРП этой тележки, определенное по формуле 1.1 равно четырем (8 звеньев и 10 кинематических пар), а для прижатия тормозных колодок к колесам в данном случае достаточно иметь в механизме две степени свободы.

При торможении в рычажной передаче происходит последовательное уменьшение числа степеней свободы и становится равным нулю у заторможенного вагона. Появляющиеся в результате истирания тормозных колодок подвижность компенсируется, также, как и в начале торможения, за счет перемещения поршня в тормозном цилиндре.

Таким образом, тормозные рычажные передачи относятся к числу механизмов с переменной структурой, обусловленной условиями их применения на подвижном составе железных дорог. Эти особенности тормозных рычажных передач характерны для тормозных устройств других изделий.

Например, тормозные устройства грузоподъемных механизмов также имеют рычажные передачи переменной структуры (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Тормозное устройство грузоподъемных механизмов

В двухколодочном тормозе, показанном на Рисунке 6, прижатие колодок к тормозному барабану 5 осуществляется механизмом переменной структуры, состоящим из звеньев 1,2,3,4 т.е. механизмом пятизвенника, аналогичным механизму ТРП двухосной тележки (см. Рисунок 2).

При прекращении торможения (отпуска тормозов) тормозные колодки должны отойти от обода колеса, сохраняя при этом постоянным расстояние между поверхностями трения («параллельный» отвод колодок).

Однако, вследствие избыточного числа степеней свободы ТРП двухосной тележки происходит так называемый неполный отпуск, при котором тормозные колодки в отпущенном состоянии тормоза касаются обода колеса (Рисунок 7).

Рисунок 7. Неполный отпуск

С точки зрения структуры, ТРП в режиме неполного отпуска (см. Рисунок 7) удовлетворяет необходимому требованию, в результате касания тормозной колодки и обода колеса, т.е. имеет две степени свободы ( n =8 ; р_Н = 10; р_В = 2; W = 2). Но так как появились две высшие кинематические пары и тележка находится в режиме неполного отпуска, происходит интенсивный износ тормозной колодки и срок ее службы уменьшается в три раза. Кроме того, при движении вагона происходит увеличение удельного сопротивления движению поезда за счет прижатия тормозных колодок к колесным парам.

В настоящее время предлагается много вариантов по предотвращению касания колодок с колесной парой.

Одним из вариантов решения этой задачи является постановка дополнительных звеньев (скоб), уменьшающих число степеней свободы ТРП (см. Рисунок 5; Рисунок 8).

Рисунок 8. Устранение неполного отпуска

Для устранения клинового износа тормозных колодок предложена новая схема ТРП двухосной тележки (авторское свидетельство № 1094786), исключающая касание тормозных колодок с колесной парой, т.е. устраняющая режим неполного отпуска (см. Рисунок 9). В этой схема удалена серьга мертвой точки, которая соединяла обрессоренную часть (надрессорный брус) с вертикальным рычагом. Внедрение новой ТРП на грузовых вагонах показало, что ее структура соответствует предъявленным требованиям.

Рисунок 9. Устранение неполного отпуска на двухосной тележке

Параллельный отвод колодок можно осуществить также с помощью механизма параллелограмма (см. Рисунок 6). Дополнительное звено 7 со звеном 4 образует параллелограмм ABCD, который обеспечивает поступательное движение колодок. Такой же параллелограмм образует звенья 2 и 6, обеспечивая таким образом «параллельный» отвод обеих колодок.

Тормозная рычажная передача восьмиосного полувагона и цистерны показаны на Рисунке 10. Характерной особенностью 8-осных вагонов является то, что в их ходовой части используется четыре двухосные тележки. Поэтому тормозная рычажная передача этих вагонов является комбинацией ТРП двухосных тележек с добавлением звеньев, соединяющих их в единую систему. Тормозная рычажная передача 8-осных вагонов обладает теми же недостатками, что и ТРП 4-х осных вагонов.

Рисунок 10. Тормозная рычажная передача восьмиосного полувагона и цистерны

Необходимо отметить, что в ТРП 4-х осной тележки 8-осного полувагона и цистерны передача усилия от тормозного цилиндра на колодки происходит одновременно на обе 2-х осных тележки. За счет этого уменьшатся суммарный износ, приводимый к штоку тормозного цилиндра.

Тормозная рычажная передача 8-осного думпакара 2ВС-140 также состоит из ТРП двух двуосных тележек, соединенных последовательно (см. Рисунок 11). С точки зрения структурного анализа ТРП думпкара имеет преимущества по сравнению с ТРП цистерны и полувагона, так как в ней меньше звеньев в кинематической цепи и как следствие, меньше кинематических пар (соответственно 24 и 23).

Рисунок 11. Тормозная рычажная передача 8-осного думпакара 2ВС-140

Однако, вследствие последовательной передачи усилия на тормозные колодки, их суммарный износ (ΣΔ), приведенный к штоку тормозного цилиндра, определяется следующим образом:

где  – износ тормозной колодки;  – износ колесной пары;  – количество колодок в цепи;  – передаточное число ТРП вагон.

Для 4-х осных тележек полувагонов и цистерн суммарный износ, приведенный к штоку тормозного цилиндра, в два раза меньше, чем у думпкара при одной и той же величине износа тормозных колодок. В эксплуатации это приводит к более частым ручным регулировкам ТРП 4-х осных тележек.

2 Структурный синтез тормозных рычажных передач

Тормозные рычажные передачи подвижного состава должны удовлетворять определенным требованиям, одним из которых является соответствие числа степеней свободы механизма ТРП числу колодок (пар колодок), осуществляющих торможение. Это дает возможность использовать формулу П.Л. Чебышева для структурного синтеза ТРП, записав ее в виде:

Так как в ТРП целесообразно использовать в основном низшие кинематические пары,  = 0 и формула (2.1) примет вид:

Уравнение (2.2) удовлетворяется для определенных значений  при W = 2 в различных схемах ТРП.

Подставляя в уравнение (2.2) количество низших кинематических пар, такое, чтобы количество звеньев было целым числом, получим несколько типов рычажных передач, обеспечивающих нормальную работу тормоза с точки зрения структуры ее кинематической цепи (см. таблицу). Число контуров К, как известно, можно определить по формуле:

Таблица 1.

Структурный синтез тормозных рычажных передач.

Типы рычажных передач

Указанные в таблице соотношения между количеством звеньев и кинематических пар встречаются в существующих рычажных передачах вагонов и локомотивов. Так, второй строке таблицы соответствует ТРП показанная на Рисунке 2. Такая тормозная рычажная передача применяется на тепловозах ТЭ3, ТЭ7, ТЭ10, ТЭП10, 2ТЭ10Л, М62, 2ТЭ116, электровозах ЧС200 и др. Эти ТРП имеют наименьшее количество звеньев и кинематических пар, что способствует повышению надежности и долговечности их работы. Тормозная рычажная передача по этой схеме также может быть использована в 2-х осной тележке грузовых вагонов.

Существующая ТРП 2-х осной тележки грузовых вагонов должна соответствовать четвертой строке таблицы при соблюдении указанного здесь качества звеньев и кинематических пар, а также числа контуров. Нетрудно убедиться, что структура ТРП 2-х осной тележки грузовых вагонов не соответствует предъявляемым к ней требованиям. Полностью этому требованию соответствует ТРП, показанная на Рисунке 12.

Рисунок 12. ТРП со степенью свободы 2

У электровозов ВЛ-80 тормозная рычажная передача при двухстороннем нажатии на колесо соответствует четвертой строке таблицы.

Пятой строке таблицы соответствует ТРП при двухстороннем нажатии на колесо (см. Рисунок 13)

Рисунок 13. ТРП электровоза ВЛ 80

Такая схема ТРП применяется в прицепных вагонах электропоездов.

Формула (2.2) может использоваться для синтеза тормозных рычажных передач при различных степенях свободы. Так у тепловоза ТЭП-60 от одного тормозного цилиндра осуществляется нажатие трех тормозных колодок в трехосной тележке. Подставляя в формулу (2.2) число степеней свободы W = 3, получим при р_Н = 5, n = 11, что соответствует ТРП этого тепловоза (см. Рисунок 14).

Рисунок 14. ТРП тепловоза ТЭП 60

3. Избыточные связи в тормозных рычажных передачах и их устранение

В тормозных рычажных передачах подвижного состава применяются в основном вращательные кинематические пары 5-го класса. Если принять, что ТРП является плоской кинематической цепью, то оси всех кинематических пар должны быть параллельны друг другу. Вследствие ошибок при изготовлении звеньев ТРП, деформации при прохождении кривых, а также разной толщины тормозных колодок, распложенных на одном триангеле, происходит перекос звеньев в местах их соединения. При этом возникает кромочный контакт, уменьшается площадь соприкосновения деталей, и как следствие, возрастают удельные давления, что приводит к преждевременному разрушению элементов кинематической пары.

Чтобы исключить появление нежелательных последствий перекоса необходимо ТРП проектировать как пространственный механизм с заменой малоподвижных кинематических пар более подвижными.

Для примера рассмотрим ТРП 2-х осной тележки, показанной на Рисунке 2.

Как известно формула Малышева А.П. для пространственных механизмов с учетом избыточных связей записывается в виде:

где n – количество звеньев механизма; i – класс кинематической пары; Pi – количество кинематических пар i – го класса; q – количество избыточных связей.

Из формулы (3.1) следует:

где краткости через Ф многочлен обозначен

В рассматриваемой ТРП р_Н = 5; n = 4; W = 2, отсюда следует:

Для устранения избыточных связей необходимо заменить некоторые кинематические пары более подвижными с учетом, условий работы ТРП и возможности и реализации кинематических пар другого класса. Учитывая, что ТРП при тормозном режиме передает большие усилия, возможна только замена кинематических пар 5 класса низшими кинематическими парами третьего и четвертого класса, имеющим 2 степени свободы, полностью устранит избыточные связи в данной ТРП. Возможна также замена пар пятого класса комбинацией 4-го и 3-го класса, чтобы общее число вносимых в ТРП степеней свободы равнялось количеству избыточных связей. Иногда вместо трудно реализуемых кинематических пар третьего класса увеличение подвижности кинематических пар пятого класса достигается изменением зазоров в соединении звеньев. Конкретно, какие кинематические пары подлежат замене, устанавливается после кинематического исследования тормозной рычажной передачи.

4 Регулировка и сертификация элементов механической части тормозов железнодорожного подвижного состава

При изготовлении нового подвижного состава, оборудованного пневматическими тормозами, после ремонта, а также в процессе эксплуатации тормозная рычажная передача подвергается проверке и регулировке. При этом устанавливается соответствие размеров тяг и рычагов, а также их относительное расположение требованиям нормативных документов в пределах допускаемых отклонений.

Отдельные элементы тормозных рычажных передач подвергаются обязательной сертификации. Так, в соответствии с нормами безопасности НБ ЖТ ЦТ-ЦВ-ЦЛ 018-99 «Элементы механической части тормоза железнодорожных вагонов. Требования по сертификации», обязательной сертификации подлежат триангели и башмаки тормозной рычажной передачи грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм.

При сертификации контролируются размеры триангеля и башмака, химический состав металла, из которого они изготовлены, и их механические свойства. Эти параметры (сертификационные показатели) должны соответствовать требованиям нормативных документов.

Сертифицируются также башмаки тормозных колодок локомотивов на соответствие требованиям НБ ЖТ ЦТ 28-99.

Кроме указанных элементов механической части тормоза обязательной сертификации подвергаются тормозные колодки и тормозные цилиндры.

Тормозные композиционные колодки железнодорожного подвижного состава должны соответствовать требованиям НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 099-99, а тормозные цилиндры подвижного состава железных дорог требованиям НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 021-2000.

Для получения достоверных значений сертификационных показателей проводятся испытания конкретных изделий по утвержденным программам и методикам.

Список литературы:

1. Теория механизмов и механика машин. Учебник для Втузов. Под ред. К. В. Фролова – М., 2003 г.
2. Щепетильников В.А. Структурный анализ и синтез механизмов. Методические указания для курсовых и лабораторных работ – М., 1981 г.
3. Солодилов В.Я., Юдин В.А., Гулак В.А. О структуре рычажных тормозных передач вагонов. – Тр. МИИТ вып. 711, 1982 г.
4. Крылов В.И. и др. Автоматические тормоза. Иллюстрированное пособие. – М., Транспорт, 1980 г.
5. Крылов В.И. и др. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава. Справочник. – М., Транспорт, 1989 г.
6. НБ ЖТ ЦВ 01.98 Вагоны грузовые железнодорожные. Нормы безопасности.