Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЯГИ » ОРП С ПОЛЫМ ВАЛОМ НА ОСИ
3.3. Опорно-рамный привод с полым валом на оси.
Использование высокоэластичных материалов в тяговом приводе оказало радикальное влияние и на опорно-рамные привода с полым валом на оси. Первоначально резина применялась только для модернизации существующих конструкций привода, как в показанной на данном рисунке модификации привода с упругими муфтами, использовавшегося на ж.д. США и Швеции. Однако такое применение резины было малоэффективно, т.к. в передаточном механизме сохранялись изнашиваемые элементы.
Более результативной оказалась модернизация шарнирно-рычажных передаточных механизмов с заменой шарниров скольжения на упругие резинометаллические, не требующие смазки, а также создание новых видов упругих полумуфт, обеспечивающих компенсацию угловых и/или поперечных смещений. В дальнейшем основным направлением развития приводов с полым валом на оси явились привода с полым карданным валом на оси и различными конструкциями муфт, в основном с использованием резины в качестве упругого элемента.
3.3.1. Опорно-рамные приводы с шарнирно-рычажными механизмами.
Революционный прорыв в использовании шарнирно - рычажных механизмов в тяговом приводе в период реконструкции тяги был вызван появлением резинометаллических шарниров, изготавливаемых методом запрессовки. Эта технология была впервые массово применена в начале 40-х годов для гусениц американских танков. На внутреннюю металлическую втулку с помощью переходных конусов напрессовывалась резиновая цилиндрическая втулка со скругленными гранями или ряд резиновых колец, а на них сверху напрессовывалась наружная металлическая втулка - с тем расчетом, чтобы натяг резины составил 30...50%. При этом резиновая втулка удерживалась за счет трения между резиной и металлом. Эта технология была достаточно простой, что позволяло легко организовать как производство шарниров на локомотивостроительных заводах под конкретный привод, так и ремонт шарниров в депо путем замены изношенных резиновых втулок на новые. Шарнир обладал способностью компенсировать не только поворот втулок относительно друг друга (при этом резина работала на сдвиг), но и небольшой перекос (при котором резина работала на сжатие), т.е. в некоторых пределах мог выполнять функции и сферического шарнира.
Недостатками этой технологии были: невозможность изготовления сферических шарниров, в которых резина бы работала на сдвиг при повороте во всех направлениях, проскальзывание и износ резиновой втулки по краям, где натяг ослабевает, а также более высокий местный нагрев резины из-за этого проскальзывания. В те же годы появилась и другая технология изготовления резинометалличских шарниров- путем формовки шарнира вместе с обоймами, к которым резина крепилась вулканизацией; при этом одна или обе втулки выполнялись разрезными для обеспечения натяга резины при сборке. Данная технология обеспечивает более высокую долговечность шарнира за счет исключения проскальзываний, а также позволяет изготовлять сферические шарниры (они имеют более высокую не только компенсирующую, но и нагрузочную способность за счет лучшего соотношения площади опорной поверхности к площади свободной поверхности резины). Однако в связи с большей создания производства таких шарниров на локомотивостроительном предприятии (в частности, из-за более сложной оснастки и необходимости более высокой культуры производства), сложности расчета и профилирования свободной поверхности резины и невозможности ремонта в условиях депо шарниры, изготовленные методом вулканизации, получили применение в тяговом приводе значительно позже.
Резинометаллические шарниры, как будет показано далее, могли применяться и в приводах с полым карданным валом на оси. Однако основной причиной, по которой конструкторы в середине 20 столетия взялись в первую очередь за модернизацию приводов с шарнирно-рычажными механизмами, компенсирующими поперечные перемещения, а не сразу полностью переключились на разработку приводов с полым карданным валом, явилось то, что они уже имели опыт расчета и применения таких механизмов, в то время, как конструктивные схемы муфт привода с полым карданным валом пришлось бы искать заново, и это могло непредсказуемо удлинить сроки разработки.
На рисунке показана одна из ранних модификаций привода с муфтой Альстом для моторных вгонов электропоездов. В отличие от привода с шарнирами скольжения, шарниры на плавающей шайбе не совмещены, а расположены рядом. Муфты размещены с внутренней стороны колесных центров, из-за чего при смене шарниров, потерявших несущую способность, необходимо крепить пальцы на полом валу и колесных центрах на съемных кронштейнах.
В передаче Альстом для электровозов муфты были вынесены наружу колесных центров, что упростило их осмотр и замену шарниров. По отношению к рассмотренным далее первым несовершенным конструкциям привода Жакмен с полым карданным валом и резиновыми упругими элементами привод Альстом был достаточно компактен, не требовал использования промежуточных зубчатых колес, а также мог быь использован при двусторонней зубчатой передаче. Это способствовало распространению привода с механизмом Альстом в Европе для пассажирских и даже скоростных локомотивов. Интерес конструкторов к приводу Альстом был усилен и тем, что с таким приводом в 1955 году был установлен рекорд скорости 331 км/час.
На железных дорогах СССР эксплуатировалась партия электровозов под серией Фп с приводом Альстом. В этих электровозах была использована односторонняя зубчатая передача и моторно-осевые подшипники скольжения. Передаточные механизмы были размещены с наружной стороны дисковых колесных центров на пальцах полого вала, проходящих через отверстия в дисках центров. При движении локомотива в одну сторону ведущие поводки одного механизма работают на растяжение, а противоположного - на сжатие.
На французском электровозе СС40100 с групповым приводом и расположением тягового двигателя за габаритами трехосной тележки зубчатая передача расположена посредине оси колесной пары. По этой причине ведущий полый вал выполнен коротким, а ведомые пальцы муфты размещены не на самих колесных центрх, а на ведомых полых валах, центрированных по пояскам на ступицах колесных центров и соединенных с ними болтами под развертку. Расстояние муфт от корпуса передачи и колесных центров выбрано таким, чтобы обеспечить возможность осмотра и демонтажа резино-металлических шарниров.
Общее устройство такого привода можно видеть на примере группового (мономоторного) привода тепловоза СС72000, где также была использован муфта Альстом. Электродвигатель, установленный сверху на раме трехосной тележки и фактически находящийся в кузове локомотива, через раздаточный редуктор передает тяговый момент на тяговый редуктор, состоящий из ряда последовательно соединенных ведомых и промежуточных колес. Достоинства и недостатки такой схемы привода будут рассмотрены далее в отдельном разделе.
Привод Альстом был использован в отечественном пассажирском тепловозе ТЭП60. В этом приводе пальцы на полом валу и колесных центрах выполнены несъемными и закреплены на прессовой посадке, муфты расположены с наружной стороны колесных центров. Радиальный зазор между полым валом и осью принят равным 35 мм. Недостатком такого расположения, свойственным и приводам Альстом французских локомотивов с такой компоновкй, является необходимость несколько увеличивать длину оси.
Как показали испытания и эксплуатация привода на отечественных железных дорогах, привод Альстом в экипажной части тепловоза ТЭП60 имеет ряд существенных недостатков:
- поскольку надрессорное строение тепловоза ТЭП60 колеблется подобно экипажу с одноступенчатым рессорным подвешиванием и перемещение центра плавающей шайбы относительно центра оси достигает 25 мм, то углы поворота поводков за каждый оборот колеса существенны, что вызывает износ резины поводков, изготовленных прессовым способом;
- плавающая шайба при смещении осей совершает движение по окружности, диаметр которой равен этому смещению, с частотой, вдвое большей частоты вращения колеса, поэтому большие расцентровки вызывают значительные неуравновешенные силы в механизме;
- из-за кинематического несовершенства механизма в режиме максимальной силы тяги в поводках возникают дополнительные динамические усилия, составляющие 30-40% передаваемых услилий тяги.
С другой стороны, данный привод в пассажирском движении все же оказался лучше жесткого опорно-осевого привода тепловоза ТЭП10 и позволил снизить число отказов и повреждений по сравнению с ним в 2-3 раза, поэтому он продолжал применяться на тепловозах ТЭП60 до снятия их с производства, а также был применен в 60-х годах на опытных электровозах ВЛ40 с групповым приводом и конструкционнной скоростью 160 км/час (на снимке показана тележка электровоза ВЛ40). Вместе с тем уже в 60-х годах развернулись интенсивные работы по замене механизма Альстом другими решениями.
Модернизированный механизм Эрликон был использован на итальянском скоростном (до 200 км/час) электровозе серии 444. Отличие нового исполнения состоит в том, что плавающая шайба связывает не концы, а середины балансиров; один конец каждого из балансиров связан с пальцем на диске колеса, а другой - через поводок с пальцем на полом валу. Благодаря этому удалось уменьшить углы поворота шарниров при перемещении рессор, что создает благоприятные условия для работы резинометаллических шарниров. Поводки выполнены без дополнительных амортизаторов, т.к. требуемая податливость достигается за счет радиальной деформации резиновых элементов шарниров.
В 1957 году А.И. Кравченко запатентовал передаточный механизм (а.с. 117862), в котором вновь был использован шарнирный параллелограмм. Механизм Кравченко построен на основе механизма Форгес и отличается тем, что оси пар пальцев соответветственно на полом валу и колесном центре не лежат на одном диаметре. За счет этого удалось увеличить длину поводков. В механизме Кравченко достигнута меньшая нагруженность шарниров и меньшие возмущающие моменты при расцентровке по сравнению с механизмом Альстом. С другой стороны, проектирование механизма Кравченко несколько сложнее из-за того, что форма плавающей шайбы асимметрична относительно одной из осей, что вызывает необходимость расчета противовеса.
Механизм Кравченко рассматривался в качестве замены муфты Альстом на проектируемых отечественных локомотивах. Однако к моменту реализации проектов появились разработки более конкурентоспособных приводов с полым карданным валом, поэтому механизм Кравченко в данный период не был использован в реальных конструкциях приводов.
В рассмотренных ранее шарнирно-рычажных механизмах крутящий момент передается одновременно двумя поводками, что ограничивает возможности увеличения передаваемого момента. Для устранения этого недостатка в данный период были созданы и механизмы, в которых крутящий момент передается числом поводков больше двух. К одному из таких относится механизм Ермака, в котором крутящий момент передается через соединенные поводками балансиры на полом валу и на колесном центре. Недостатком механизма Ермака является малая длина поводков, что будет приводить к большой деформации сдвига в резино-металлических шарнирах, а также сложность компоновки механизма при небольшом диаметре колесного центра. По этой причине привод в данный период не нашел применения в практических конструкциях.
К другому типу многоповодкового механизма относится изобретенный В.Н. Перепелкиным в 60-х годах шестиповодковый механизм, названный позднее УШПМ (уравновешенная шарнирно-поводковая муфта), разновидности которого для произвольного числа поводков были в 80-х годах запатентованы Ичи Хивари.
УШПМ состоит из нескольких (обычно трех) антипараллелограммных механизмов, плавающие шайбы которых соединены между собой соосно шарнирным соединением (на рисунке - подшипниками). Поводки антипараллелограммных механизмов соединены с пальцами ведущего и ведомого валов и плавающих шайб резинометаллическими шарнирами. В представленном на рисунке варианте привода нет возможности пропустить через него ось, однако такая возможность может быть технически реализована при увеличении диаметра подшипников.
Теоретически такой механизм также можно считать сбалансированным, по сравнению с механизмом Ермака он более компактен и шарниры при одной и той же величине расцентровки валов будут поворачиваться на один и тот же угол. По сравнению с муфтами Альстом, Кравченко, Эрликон УШПМ способен передавать большие моменты за счет большего числа поводков. Механизм промотировался в 80-х годах в СССР и за рубежом как для приводов с полым валом на оси, так и для приводов с осевым редуктором (в последнем случае он размещался на быстроходном валу редуктора).
УШПМ исторически он был впервые воплощен в металле в нашей стране именно для приводов с осевым редуктором; однако следует отметить, что его более уместно было бы использовать на тихоходном валу передачи, т.е. для приводов с полым валом на оси, особенно в случаях, когда привод для получения минимальной централи надо делать односторонним. К недостатком УШПМ для данного варианта применения относится необходимость создания специальных соосных подшипников или, вместо них, опор на тонкослойных резинометаллических элементах (ТРМЭ).
