Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЯГИ » ОПОРНО-ОСЕВОЙ » ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА И ПР.
3.1.2. Зубчатая передача.
Повышение секционной мощности и скорости движения локомотивов во второй половине 20 века снова создало потребность в применении упругих зубчатых колес, как прямозубых, так и косозубых, теперь уже главным образом для снижения динамического крутящего момента от неровностей пути. Кроме того, для односторонней передачи при моторно-осевых подшипниках скольжения существовала необходимость в самоустановке колес, т.к. перекосы были столь велики, что продольная модификация зубьев не могла их эффективно компенсировать.
На рисунке изображена ранняя конструкция упругого самоустановливающегося зубчатого колеса для отечественного тепловоза 2ТЭ10В, созданная ВНИТИ совместно с Луганским тепловозостроительным заводом. В колесе использованы цилиндрические резинометаллические элементы разной жесткости двух типов. При малом тяговом моменте (на частичных позициях и на высоких позициях на большой скорости) работают восемь мягких элементов, показанных в сечении А-А. При большом тяговом моменте, развиваемом тепловозом на небольшой скорости (20-30 км/час) венец поворачивается примерно на 1 градус и основную часть нагрузки берут на себя более жесткие упорные элементы, показанные в сечении Б-Б. Зубчатый венец центрируется на бочкообразных роликах, которые обеспечивают малое сопротивление его повороту и одновременно обеспечивают самоустановку венца колеса относительно малой шестерни передачи.
В данной конструкции при высоких скоростях движения и, соответственно, низких величинах тягового момента обеспечивается малая жесткость упругого венца, и одновременно ограничена деформация упругих элементов на малых скоростях, когда тяговый момент максимален, а динамические воздействия на привод невелики. При работе на выбеге основная собственная частота колебаний валопроводов привода с данным колесом составляет 4-5 Гц, а при работе под тягой возрастает до 6-7 Гц. Таким образом, упругое колесо тепловоза 2ТЭ10В оптимизировано для тяговой характеристики тепловоза с невысокими скоростями длительного режима тяги и из расчета, что основными видами возмущений от пути являются среднечастотные порядка 20-40 Гц (например, волнообразный износ).
Испытания данного упругого колеса на тепловозе 2ТЭ116 показали, что при автоколебаниях колесной пары в режиме боксования касательные напряжения в оси колесной пары увеличились до 40-60 МПа, т.е. в 1,5-2 раза по сравнению с приводом с жестким зубчатым колесом, но такие величины касательных напряжений в оси можно считать допустимыми. При испытаниях различных вариантов упругих зубчатых колес передачи тепловозов с различными видами подвески и на различных участках пути регистрируемые максимальные динамические моменты оказывались от 50% до 130% от статического момента в режиме длительной тяги.
Рассмотренные же ранее упругие зубчатые колеса электровозов с цилиндрическими пружинами с преднатягом оптимизированы по своей характеристике для тягового режима электровоза, который развивает максимальное тяговое усилие при скоростях часового режима 40-50 км/час и из расчета, что основными видами возмущений от пути явлется проход угла излома в стыке. Таким образом, оптимальная жесткостная характеристика упругого колеса существенно зависит от тяговых свойств привода и характера ожидаемых неровностей в условиях эксплуатации. За рубежом получили распространение упругие зубчатые колеса с линейной характеристикой, которые могут оказаться не самыми эффективными на каких-то отдельных участках эксплуатации, но обспечивающие минимальный вероятный проигрыш при заранее не оределенных условиях эксплуатации. На рисунке изображены варианты упругих зубчатых колес по патенту ФРГ N 1038086.
В эксплуатации был выявлен ряд недостатков упругого колеса тепловозов 2ТЭ10В. В первую очередь, при малых перемещениях венца с большой частотой ролики начинают проскальзывать, и на них образуютс лыски; в связи с этим было решено начать работу по замене роликов сплошным кольцом. Другой проблемой оказался недостаточны срок службы упругих резиновых элементов, которые работают в масляной ванне с температурой от - 45 до +50 градусов Цельсия. У резиновых элементов наблюдался значительный износ резины, выдавливание ее из арматуры, подрез металлическими деталями, и, кроме того, в эксплуатации снижаются жесткость элемента и величина натяга посадки в арматуре. 
В итоге у первоначальной конструкции упругого колеса тепловоза 2ТЭ10В срок службы составил только 300-400 тыс. км, что по тогдашней периодичности ремонта соответствовало текущему ремонту ТР-3. Кроме того, изнашивались отверстия в венце и фланцах и их приходилось восстанавливать при заводсих ремонтах.
Эти обстоятельства были частично учтены при создании ВНИТИ упругих элементов для вагонов метрополитена (см.рис.), в которых отсутствовала наружная металлическая арматура, а к внутренней элементы привулканизовывались, точнее, они изготавливались вместе с внутренней арматуры в прессформе, для сцепления резины с металлом при этом использовлся клей "Лейконат". По данным авторов, конструкция обеспечивала пробег 1,1 млн.км.
ВНИИЖТ была предложена конструкция несамоустанавливающегося косозубого зубчатого колеса для двусторонней тяговой передачи электровозов (см. рисунок). В этой конструкции осевые усилия, характерные для косозубой передачи, воспринимались четырьмя составными полушайбами, а упругие элементы выполнены в виде цилиндров, работающих на сжатие, аналогично упругим колесам с цилиндрическими пружинами. К достоинствам конструкции следует отнести эффективное испольхование материала упругих элементов, благодаря их равномерной нагруженности, и возможность за счет преднатяга повысить энергоемкость при поглощении ударов. Недостатком конструкции является трение и износ полушайб и полуколец.
Делались попытки и обеспечить самоустановку малой шестерни. Например, А.И. Беляевым был испытан привод, в котором венец малой шестерни опирался на ступицу с помощью цилиндрических роликов, а передача момента венцу происходила с помощью шлицевых соединений. Недостаток данной конструкции состоит в том, что ее невозможно разместить в шестерне при диаметре, характерном для приводов грузовых тепловозов, а для приводов пассажирских тепловозов такая конструкция была неактуальна, поскольку увеличение диаметра малой шестерни само по себе во многом снимало проблему износа и долговечности. Были также попытки использовать в опорно-осевом приводе вместо упругого колеса торсион в полом якоре, однако практической реализации они не получили.
3.1.3. Подшипниковые узлы
Конструкция моторно-осевых подшипников с подшипниками скольжения в данный период развивается путем частичных усовершенствований ранее сложившихся конструкций подшипниковых узлов - с постоянным уровнем смазки и польстерной.
Польстерная система смазки в данный период характеризуется эксплуатационниками, как недостаточно надежная, и претерпевает ряд изменений. На моторно-осевых подшипниках тепловозов вместо фитиля, расположенного нитями параллельно поверхности оси, начитают применять филиль (польстер), который поджимается к шейке оси своим торцом, а противоположный его конец опущен в смазку. При этом была увеличена камера в шапке подшипника. Для замера уровня смазки при осмотре, чтобы не снимать крышку, стали использовать щуп. Фитиль удеживался в заданном положении коробкой, которая прижималась пластинчатыми пружинами к направляющим. Усилие поджатия фитиля к оси рычагом составляло несколько килограммов.
Дальнейшим развитием польстерных подшипников становятся подшипники с принудительной (циркуляционной) системой смазки. Шестеренчатый насос для подачи масла приводится в действие небольшим разъемным зубчатым колесом на оси колесной пары и подает масло из картера, расположенного ниже оси колесной пары, к шапкам моторно-осевых подшипников. Из польстерных камер масло самотеком через зазоры возвращается в картер. На отечественных тепловозах производительность масляного насоса была выбрана равной 8 куьическим сантиметоам за один оборот колесной пары.
Принудительная смазка эффективно работает, начиная со скоростей 30-40 км/час. При меньших скоростях масло в подшипники подается польстерным устройством. Кроме того, польстерное устройство играет роль дублирующей системы смазки при выходе из строя шестеренчатого насоса. подшипниеи с такой системой смазки позволили сделать пробег тепловоза без дозаправки не менее 10 тыс. км.
Вместе с тем активно ведутся работы по переходу на моторно-осевые подшипники качения. К числу самых первых и наиболее простых решений относится утановка двух сферических роликовых подшипников. В этом случае узел получается достаточно простым, а требования к соосности и перекосам расточек под подшипники в корпусе двигателя - наименьшими. Кроме того, сферические подшипники мало критичны к изгибу оси колесной пары под действием нагрузки от надрессорного строения. На рисунке показана экспериментальная конструкция подшипникового узла для отечественных электровозов конца 60-х годов. Один из подшипников выполнен фиксированным в осевом направлении, другой - плавающим. К недостатком данной конструкции относится необходимость применения поковки оси с большим диаметром, чем для подшипников скольжения, а также недостаточный срок службы сферических подшипников. Также выяснилось, что конструкция узла должна ограничивать затяжку болтов шапок, поскольку при эксплуатации узла одновременно с колесно-моторными блоками с подшипниками скольжения, рабочие начинают подтягивать и болты шапок подшипников качения, что приводит к деформации наружных обойм.
Более совершенная конструкция узла моторно-осевых подшипников качения была применена на тепловозе HS4000 Kestrel, где комплекты из роликовых цилиндрических и сферических подшипников были заключены в полые трубы, на которые и опираются тяговые двигатели. Посадочные места под подшипники на полой трубе могут быть обработаны гораздо точнее, нежели на остове тягового элетродвигателя. Недостаток данного решения состоит в том, что при этом увеличивается централь зубчатой передачи; необходимо отметить, что Kestrel был грузопассажирским локомотивом, рассчитанным на движение со скоростью до 200 км/час, что позволяло увеличить диаметр ведущей шестерни и, соответственно, централь передачи.
В СССР в данный период велись работы по созданию для тепловозов узла моторно-осевых подшипников с использованием двух опорных цилидрических роликовых подшипников и упорного шарикового, а в США - с использованием конических роликовых подшипников.
Вариант с использованием цилиндрических и шарикового подшипников был позднее применен для МОП маневрового тепловоза ТЭМ103 производства "Лугансктепловоз" с силой тяги длительного режима (по предварительным данным) 10 т на ось и транспортной скоростью по экипажу 100 км/ч. Расчетный срок службы узла должен был составить 15 лет (замена на ТР3). Подшипниковый узел с одинарным цилиндрическим роликовым подшипником расположен со стороны зубчатого колеса, а узел с роликовым и упорным шариковым подшипником - со стороны коллектора тягового электродвигателя.
Конические роликоподшипники способны обеспечить гораздо больший срок работы узла, чем цилиндрические, однако требуют значительно большей точности изготовления деталей узла и, особенно, высокой точности его монтажа, т.к. вместе с осевым зазором в коническом подшипнике изменяется и радиальный.
В используемой в США конструкции подшипники монтируются по схеме с затяжкой внутренних обойм. Наружные обоймы подшипников базируются в расточках полой трубы за пределами магнитной системы статора, при этом наружная обойма одного из подшипников установлена в дополнительном стакане, для обеспечения регулировки осевого зазора с помощью прокладок.
Полая труба подшипникового узла для уменьшения централи тяговой передачи выполнена с вырезом, в который заходит статор тягового двигателя. Она крепится к остову тягового двигателя болтами, расположенными вблизи посадочных мест роликовых подшипников. Таким образом, подтяжка болтов крепления подшипникового узла здесь не приводит к деформации наружных обойм подшипников. Подобная конструкция в отечественной практике впервые была применена на тепловозе ТЭРА1 постройки завода "Людиновотепловоз", использовавшего тяговые двигатели фирмы Дженерал Моторс.
На рисунке показан общий вид колесно-моторного блока с роликовыми осевыми подшипниками электровоза фирмы Bombardier для железной дороги Кируна-Нарвик, с повышенной нагрузкой на ось и силой тяги до 100 кН на ось при максимальной скорости 80 км/ч.
Трудности в создании аналогичного тягового привода в СССР можно было считать разрешимыми еще задолго до создания ТЭРА1, однако в конце 60-х годов в СССР появляется потребность повышения осевой нагрузки локомотивов для увеличения силы тяги, что, в свою очередь, требовало ограничения необрессоренной массы локомотива по меньшей мере на достигнутом уровне, при одновременном увеличении диаметров колесных пар, мощности и массы тяговых электродвигателей. Поэтому в 70-е - 80-е годы в СССР радикальным путем решения проблем надежности подшипникового узла считался переход от опорно-осевого к опорно-рамным приводам на грузовых локомотивах. Это затормозило работы по созданию моторно-осевых подшипников в СССР, в то время как в США, где осевые нагрузки тепловозов и без того были высоки, отказа от опорно-осевого привода не предполагались, и работы по созданию моторно-осевых подшипников были продолжены.
3.1.4. Упругие колесные центры.
Упругие колесные центры нашли широкое применение еще в 30-х годах 20 столетия на трамваях в США, где они использовались для снижения шума и к началу 60-х годам они стали использоваться на трамваях разных стран мира. В 60-х годах в различных периодических изданиях Западной Европы появились публикации о возможности с помощью упругих колесных центров улучшить динамику опорно-осевого привода. В связи с этим во ВНИТИ были проведены испытания опытного колесно-моторного блока с упругими колесными центрами Луганского тепловозостроительного завода. Конструкция колесных центров была аналогична применяемой для отечественных трамваев. Резина в упругих элементах таких колес работала на сдвиг. В результате исследований было установлено, что, поскольку резиновые амортизаторы должны выдерживать в поперечном направлении осевую нагрузку, они получаются слишком жесткими, чтобы эффективно снижать ускорения тягового двигателя и фактически способствуют только снижению шума. Более существенный эффект достигается в том случае, если через упругие элементы на ось или колесные центры опирается только тяговый двигатель, о чем пойдет речь в следующем разделе.
