Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
НАЧАЛО ВНЕДРЕНИЯ » ОПОРНО-ОСЕВОЙ » ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА И ПР.
2.1.2. Зубчатая передача.
После подвески двигателя, зубчатая передача опорно-осевого привода является вторым узлом по влиянию на полезные качества опорно-осевого привода и конструкцию его узлов и деталей.
В опорно-осевом приводе в данный период в основном применялась одноступенчатая зубчатая передача. Двухступенчатая использовалась для тихоходных рельсовых экипажей, например, рудничных электровозов (см. ниже).
Зубчатые передачи данного периода можно разделить по следующим признакам:
- передачи с цельными зубчатыми колесами и разъемными;
- односторонние и двухсторонние;
- с жесткими и упругими зубчатыми колесами;
- прямозубые и косозубые.
Разъемные зубчатые колеса имели распространение в начале 20 столетия, когда нагруженность приводов трамваев, моторных вагонов, части локомотивов и т.п. была невысокой, а зубчатые колеса изготавливались с невысокой точностью и по простым технологиям, не обеспечивавшим их долговечности. В этих условиях замену колес приходилось производить часто, и неразъемные колеса были неудобны тем, что для их замены было необходимо спрессовывать колесные центры, срок службы которых был значительно выше. Разъемное же колесо можно было менять без расформирования колесной пары.
Легконагруженные колеса выполняли с полностью разъемным колесом и ступицей и шпоночным соединением для передачи тягового момента.
Поскольку в процессе эксплуатации изнашивался только венец колеса, а шпоночный паз ослаблял ось колесной пары, то для более нагруженных колес венец и ступицу колеса выполняли раздельными.
Ступица крепилась на оси соединением с гарантированным натягом, а венцы насаживались с двух сторон на ступицу и стягивались устройством из специальных болтов с клиньями. При этом было важно обеспечить фиксацию гаек болтов от отвертывания, т.к. возникновение зазора между венцами мог привести к поломке зубьев. Кроме того, в эксплуатации возникала необходимость дополнительно подтягивать болты. Все это увеличивало трудоемкость обслуживания и снижало эффект от возможности быстрой смены венцов.
По мере повышения точности изготовления колес и увеличения твердости зубьев разъемная конструкция стала ограничивать срок службы колеса, в первую очередь из за пониженного износа зубьев. Кроме того, она существенно снижала предельную нагруженность передачи по условиям прочности. Вот почему к середине 20 столетия основным путем снижения трудоемкости ремонта зубчатой передачи стало не обеспечение простоты замены зубчатого колеса, а увеличение периода между ремонтами за счет повышение долговечности передачи. Именно тогда и по данной причине в практике проектирования тягового приводов было осознанно принято, что колесо должно служить в несколько раз дольше шестерни.
Неразъемное жесткое зубчатое колесо опорно-осевого привода при односторонней передаче по конструкции мало чем отличалось от колес зубчатых передач других отраслей машинотроения и могло выполняться цельным или со съемным зубчатым венцом. Однако односторонняя передача в опорно-осевом приводе имела ограничение нагрузочной способности. Ширину венца зубчатых колес обычно делали не более 160 мм, т.к. из-за перекосов в моторно-осевых подшипниках скольжения и изгиба вала двигателя, на котором была консольно посажена шестерня, нагрузка по длине зуба распределялась неравномерно, и это сводило на нет увеличение ширины колеса. Кроме того, при двусторонней зубчатой передаче нагрузка от тяговой передачи на оба якорных и моторно-осевых подшипника в идеале должна была быть одинаковой. Поэтому в начале 20 столетия на электровозах и мощных тепловозах для повышения нагрузочной способности привода стала также применяться и двусторонняя зубчатая передача.
При двухстороннней передаче возникла необходимость использовать упругие зубчатые венцы, чтобы обеспечить равномерное распределение тягового момента по обоим ветвям передачи. В ранних конструкции упругих зубчатых колес отечественных электровозов ВЛ19 и ВЛ22 были использованы упругие колеса с пластинчатыми пружинами. Все рессорные пакеты колеса работают независимо от направления движения. Для создания преднатяга была использована фасонная цементированная прокладка, установленная между рессорными листами. Величина преднатяга выбиралась таким образом, чтобы при силе тяги, соответствующей коэффициенту сцепления 0,3 передача усилий от двигателя колесной паре происходила еще упруго.
Данная конструкция упругого колеса позволяла реализовывать высокие тяговые нагрузки и, на первых порах, ее надежность считалась приемлемой. Вместе с тем она имела высокую жесткость и не обеспечивала выравнивания нагрузок в широком диапазоне тяговых усилий, а также при небольших погрешностях в установке венцов зубчатых колес. Кроме того, она была практически не способна амортизировать ударные нагрузки в тяговой передаче от неровностей пути, а в практически реализованных конструкциях была высока и трудоемкость ремонта (при смене пружинных пакетов необходимо было высверливать и заново устанавливать много заклепок)
Все это привело к созданию упругих зубчатых венцов со спиральными зубьями. На рисунке показано упругое зубчате колесо, примененнное на отечественных электровозах ВЛ8 первых выпусков. При сборке такого колеса выступы венца заводятся в промежутки между выступами ступицы, затем венец поворачивается для того, чтобы выступы венца вошли внутрь пазов вилкообразных выступов ступицы, после чего в образовавшиеся окна ставят пружины и закрывают их с обеих сторон кольцами. Все пружины имеют преднатяг и работают на сжатие независимо от направления движения.
Такая конструкция упругого венца обеспечивала как равномерное распределение нагрузки между сторонами зубчатой передачей, так и амортизацию динамических нагрузок от пути, действующих на якорь, разборка колеса была более простой. Однако недостатки этой конструкции оказались продолжением ее достоинств. Меньшая жесткость упругого венца привела к большим перемещениям венца по ступице и увеличению его износа, а большое количество болтовых соединений на необрессоренной массе увеличило вероятность ослабления и выпадения болтов, что вело к поломке зубьев передачи.
В итоге уже в 40-х годах электровозостроители стремятся к внедрению технологий, позволяющих изготавливать крупногабаритные косозубые зубчатые колеса. При двухсторонней косозубой передаче равномерность передачи нагрузок обеспечивается поперечной установкой шестерен относительно колес под действием осевой составляющей давления зубьев.
Дополнительные затраты на усложнение технологии изготовления передачи по сравнению с прямозубой для электровозов к 40-м годам начало однозначно окупаться за счет упрощения конструкции колес и снижении затрат на их обслуживание как по причине увеличения межремонтных пробегов, так и благодаря снижению трудоемкости ремонтов.
2.1.3. Подшипниковые узлы
Специфика привода также налагала отпечаток на проектирование подшипниковых узлов. К тридцатым годам в опорно-осевом приводе якорные подшипники уже используют роликовые, с консистентной смазкой. Это объясняется двумя причинами: необходимостью снизить расходы на обслуживание привода и потребность в смазочных материалах. В то же время используются моторно-осевые подшипники скольжения, что вызвано главным образом как малыми габаритами для размещения подшипников между ТЭД и осью, так и недостаточным сроком службы подшипников качения по сравнению со сроком службы колесной пары, вследствие чего возникала потребность в переформировании последней.
При небольшой мощности тягового электродвигателя использовалась фитильная (польстерная) конструкция моторно-осевого подшипника скольжения, в которой масло из ванны подается за счет сил поверхностного натяжения к подушке (польстеру) в виде сплетенного из пряжи фитиля. Подушка поджимается к оси через смазочное окно во втулке подшипника поджимной пружиной, которая предстваляет собой пластину, на которую давит спиральная пружина. Через верхнее заливочное отверстие производится смена мотков пряжи, которые истираются во время работы, а также добавление смазки в эксплуатации при незначительном нагреве подшипника.
Недостатком фитильной конструкции является зависимость количества подачи масла от уровня его в масляной ванне. Чтобы не требовалось производить частые пополнения масла в эксплуатации, несущую способность такого подшипника приходилсь выбирать с запасом.
Более совершенной конструкцией моторно-осевого подшипника стал подшипник с постоянным уровнем масла, обеспечивающий более надежную смазку при разных условиях работы. В этом подшипнике камера для масла разделена на относительно небольшую рабочую и окружающую ее запасную. При понижении уровня смазки в рабочей камере ниже трубки, соединяющей обе камеры, часть масла из запасной камеры переливается в рабочую. Благодаря этому уровень смазки и ее количество, подаваемое для смазки оси, не меняется с течением времени. В то же время такие подшипники сложнее по конструкции и имеют более высокий расход смазки, поэтому он применяются в основном для тяговых приводов электровозов.
2.1.4. Паровые двигатели с опорно-осевым приводом.
В этот период также некоторое распространение получают опорно-осевые паровые тяговые приводы, у которых кинематическая схема аналогична опорно-осевым приводам с электродвигателями, однако вместо электродвигателя на ось опирается паровая машина. Один из таких приводов с машиной Clayton 1927 года для ж.д. автомотрисы показан на рисунке. Использована двухцилиндровая машина с цилиндрами диаметра 6,75 дюйма и ходом поршня 10 дюймов, мощностью приблизительно 36 л.с. и работавшая при оборотах 150-450 об/мин. Применение столь необычного для главных силовых установок паровых ж.д. экипажей решения было обусловлено тем, что на автомотрисе использовалась паросиловая установка для 6-тонного грузового автомобиля.
Опорно-осевое подвешивание с тяговой зубчатой передачей также находит применение в бустерных паровых машинах, при этом систему смазки осевых подшипников скольжения часто (например, в машинах системы Бетлехем) делали объединенной с системой смазки самой машины. В бустерных машинах, как правило, использовались механизмы, рассоединяющие привод при прекращении подачи пара, чтобы не увеличивать сопротивление движению при беспарном ходе.
В рассматриваемом типе бустерных машин разобщение привода производилось с помощью промежуточной шестерни. При отсутствии подачи пара промежуточная шестерня оттягивается пружиной от ведомого колеса. При подаче пара ведущая шестерня, вращаясь, подталкивает промежуточную так, что она входит в зацепление с ведомым колесом.
Для предотвращения заклинивания и поломки зубьев во время ввода промежуточного колеса в зацепление, зубьям ведомого колеса придан специальный асимметричный профиль, исключающий заклинивание зубьев. Однако эта мера ведет к тому, что передача становится нереверсивной - при движении в обратную сторону промежуьточное зубчатое колесо стремится выйти из зацепления с ведомым. Применительно к приводу бустера паровоза это не является недостатком, т.к. движение с тяжелым составом на подъем, как правило, не производится тендером вперед. Кроме того, такое расцепление необходимо в случае, если бустерная машина создает тормозящий момент на оси колесной пары. Вторая ось тележки тендера приводится от данной ведущей оси с помощью спарникового механизма.
