Цапфа — опорный элемент конструкций¶

Цапфа — цилиндрический выступ на корпусе, оси или балке, служащий опорой для вращающегося или качающегося элемента конструкции. Термин применяется в машиностроении, железнодорожном транспорте, мостостроении и гражданском строительстве. В зависимости от контекста цапфой называют также упорный шип, воспринимающий вертикальные или горизонтальные нагрузки, и соответствующее гнездо (пастушью шайбу), в которое этот шип входит.

¶Происхождение термина

Слово «цапфа» пришло в русский язык из немецкого — Zapfen, что означает «шплинт», «штырь», «кран» (в смысле вентиля). В инженерной терминологии XVIII–XIX веков, когда русское машиностроение активно заимствовало немецкую техническую лексику, термин прочно закрепился и с тех пор не менялся. В современных ГОСТах и отраслевых стандартах слово используется наряду с более нейтральными описаниями — «опорный шип», «упорный элемент», «вертикальная опора».

¶Устройство и принцип работы

Классическая цапфа представляет собой цилиндрический или конический стержень, жёстко закреплённый в корпусе механизма либо выступающий из него. На цапфу надевается втулка, подшипник или непосредственно вращающийся элемент — колесо, рычаг, створка. Между сопрягаемыми поверхностями обеспечивается подвижное соединение: скольжение (с применением смазки) или качение (если установлена роликовая опора).

Основные функции цапфы:

• восприятие вертикальной нагрузки от подвижной части конструкции;
• обеспечение заданной оси вращения или качания;
• передача нагрузки на несущий корпус, балку или фундамент.

В мостостроении и гражданском строительстве цапфой называют вертикальный шип на нижней плоскости балки или фермы, входящий в отверстие (пастушью шайбу) на опоре. Такое соединение не даёт конструкции смещаться в горизонтальной плоскости, но допускает незначительные повороты, компенсирующие температурные деформации и усадку. Цапфовое соединение является разновидностью шарнирного и применяется там, где требуется жёсткая фиксация в одном направлении при свободе в другом.

¶Виды цапф

По форме рабочей поверхности:

• Цилиндрические — наиболее распространённый тип, применяется в подшипниковых узлах, дверных петлях, створках водопропускных сооружений.
• Конические — обеспечивают самоцентрирование при сборке, используются в точных механизмах и в старых железнодорожных конструкциях.
• Сферические — допускают небольшое угловое отклонение оси, применяются в шарнирных соединениях мостовых опор.

По назначению:

• Опорные — воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки (мостовые балки, створки шлюзов).
• Направляющие — ограничивают боковое смещение подвижного элемента.
• Упорные — воспринимают горизонтальные усилия, например в затворах плотин.

¶Применение в железнодорожном транспорте

Наиболее известное применение термина в России связано с конструкцией вагонов и локомотивов. Цапфами называют цилиндрические выступы на корпусе буксового узла или рамы, служащие опорами для подрессоренных частей кузова. В грузовых вагонах старых серий цапфовое соединение применялось в тележках, воспринимая вертикальные нагрузки и обеспечивая податливость подвески. В паровозостроении цапфами именовали шейки осей паровой машины, на которые надевались рамовые подшипники («пастушки»). Термин «цапфа» до сих пор встречается в технической документации по ремонту подвижного состава.

¶Применение в строительстве

В мостостроении цапфовое соединение балки с опорой является классическим решением для концевых опор пролётных строений. Нижняя цапфа балки входит в шарнирную систему, закреплённую на устою или быке. Такое решение позволяет:

• передавать вертикальную нагрузку на опору;
• компенсировать продольные деформации балки при перепаде температур;
• воспринимать незначительные повороты пролёта от ползучести бетона или осадки опор.

В гидротехническом строительстве цапфами оснащаются створки водосливных и шлюзовых ворот. Нижняя цапфа створки входит в пастушью шайбу, укреплённую на дне, верхняя — в аналогичное гнездо на головном брусе. Такое соединение обеспечивает герметичность при закрытии и надёжное восприятие нагрузки от напора воды.

¶Материалы и изготовление

Цапфы изготавливают из конструкционных сталей — как правило, углеродистых или легированных, с последующей термообработкой для повышения износостойкости. Рабочая поверхность подвергается шлифованию до класса шероховатости Ra 0,8–1,6 мкм. В ответственных узлах (железнодорожные буксы, мостовые шарниры) на поверхность цапфы наносят антифрикционные покрытия или устанавливают бронзовые втулки. В строительстве цапфы балок изготавливают из стали марок Ст3, 09Г2С сваркой или ковкой.

¶Смежные понятия

Тесно связанные с цапфой элементы конструкций:

• Пастушья шайба — гнездо (опорная чаша), в которое входит цапфа; в мостостроении и гидротехнике является парной деталью.
• Букса — узел вагонной тележки, в котором цапфа соединяется с подшипником.
• Шкворень — горизонтальный шип, выполняющий сходную функцию, но расположенный поперёк оси.

¶Интересные факты

В русском языке слово «цапфа» получило переносное значение: им иногда иронически обозначают неповоротливого, неподвижного человека, что отсылает к устойчивости и статичности инженерного элемента.

Источники:

• ГОСТ 27674-88. Детали и узлы строительных конструкций. Термины и определения.
• Справочник конструктора-машиностроителя в 3 томах / под ред. А. П. Гуляева. — М.: Машиностроение.
• Технический железнодорожный словарь. — М.: Транспорт.
• Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. — М.: Русский язык.