CC BY
314
УДК 629.4.027.51
А. М. Будюкин, В. Г. Кондратенко
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
М. Ю.Розов
ГУП «Петербургский метрополитен»
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ТОРЦЕВЫХ ГАЕК ВАГОННЫХ ОСЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И МЕТРОПОЛИТЕНА
В Петербургском метрополитене эксплуатируется подвижной состав, тележки которого имеют колесные пары с торцевым креплением подшипников осевой гайкой М105х3-7Н со стопорной планкой. В настоящее время при эксплуатации вагонов на линиях часто происходят ослабления гаек торцевого крепления и отказы стопорных планок. В статье рассмотрены возможные причины этого явления. Проведено сравнение конструкции торцевой гайки метрополитена с аналогичной, применяемой на подвижном составе железных дорог, и изучено распределение нагрузки по виткам резьбы гайки. В результате проведенных исследований было предложено внести изменения в конструкцию торцевой гайки вагонов метрополитена, в технологический процесс ее затягивания, а также перейти на другой вид торцевого крепления. Рекомендуется для внедрения на подвижном составе ГУП «Петербургский метрополитен».
колесные пары, оси, крепление буксового узла, торцевая гайка, метрическая резьба.
Введение
На Петербургском метрополитене эксплуатируется подвижной состав различных типов, постройки ЗАО «Вагонмаш» (Санкт-Петербург), ОАО «Ме-тровагонмаш» (г. Мытищи) и ОАО «ОЭВРЗ» (Санкт-Петербург).
Парк подвижного состава насчитывает около 1534 вагонов. Тележки вагонов двухосные, с опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей и осевой подвеской редукторов, имеют колесные пары с резьбовыми частями оси, которые предусмотрены для расположения на них осевых гаек, которыми крепят детали буксового узла. В торцовых частях оси в специально выполненных пазах устанавливают стопорные планки.
104
В настоящее время при эксплуатации вагонов ГУП «Петербургский метрополитен» на линиях наблюдается ослабление гайки М105х3-7Н торцевого крепления подшипников колесной пары метрополитена с периодичностью приблизительно один раз в месяц и отказом стопорной планки этой гайки в виде излома не чаще одного раза в 2-3 года. Это приводит также к повреждению резьбы гайки и шейки оси. Причины этого явления в принципе известны, это могут быть:
- циклическое воздействие на подшипниковый узел (в том числе гайку) разнонаправленных циклических боковых сил величиной до 4,2 тс [1];
- действие вибрации с частотой 1,5—2,1 Гц и 5,5-9,0 Гц, возникающей в эксплуатации при движении поезда [1];
- недостаточная точность конструктивно выбранной посадки резьбового соединения М105х7Н/8g, низкое качество изготовления самой резьбы;
- невысокое качество материалов, из которых изготавливаются гайка и стопорная гайка;
- наличие довольно больших зазоров в посадке стопорной планки в паз гайки;
- повреждение резьбы (смятие, срез) при сборке буксового узла, вызванное превышением максимально допустимого крутящего момента;
- закручивание гайки при сборке с усилием менее минимально допустимого;
- причины, связанные с технологией монтажа буксового узла.
1 Особенности конструкции гайки вагонов метрополитена
На рисунке 1 показаны профиль и основные параметры метрической резьбы анализируемых торцевых гаек.
Размеры и общий вид торцевой гайки вагона метрополитена представлены на рисунке 2.
Гайка шестигранная корончатая, имеет 11 прорезей с одной стороны и плоскую торцевую (привалочную) поверхность с противоположной стороны, выполнена из стали 35А. Резьба метрическая M105x3-7H. Гайка накручивается (делает посадку) на резьбовую часть оси с резьбой M105x3-8g.
Посадкой резьбового соединения называют характер сопряжения между боковыми сторонами, определяемый разностью средних диаметров наружной и внутренней резьбы до сборки. Для соединения торцевой гайки с резьбовой частью оси применены посадки с зазором. Посадкой с зазором считают посадку, в которой поле допуска среднего диаметра внутренней резьбы расположено над полем допуска среднего диаметра наружной резьбы либо нижнее отклонение среднего диаметра внутренней резьбы совпадает с верхним отклонением среднего диаметра наружной резьбы.
105
Рис. 1. Профиль и основные размеры метрической резьбы (ГОСТ 9150-2002)
Рис. 2. Общий вид и размеры торцевой гайки вагона метрополитена
106
Из ГОСТ 24705-81, ГОСТ 8724-2002 (СТ СЭВ 180-75, 181-75, 18275) выписываем номинальные размеры наружного D (d), внутреннего D1 (d1) и среднего D2 (d2) диаметров резьбы, шага резьбы Р, исходной высоты профиля Н, а также угла профиля а для резьбы с номинальным диаметром 105 и мелким шагом: D = d = 105,000 мм; D1 = d1 = 101,752 мм; D2 = d2 = = 103,051 мм; Р = 3,0 мм; Н = 0,8667P = 2,598076 мм; а = 60°.
По ГОСТ 16093-81 или СТ СЭВ 640-77 устанавливаем предельные отклонения диаметров резьбы, сопрягаемых на посадках с зазором (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Предельные отклонения диаметров резьбы, мкм
Гайка M105x3-7H Наружная резьба оси M105x3-8g
Диаметр ES, мкм EI, мкм еs, мкм ер мкм
D +H/10 ~ + 260 0 d - 48 - 648
D2 + 375 0 d2 - 48 - 403
+ 630 0 d1 - 48 - H/8 ~ - 325
Были рассчитаны параметры резьбового соединения M105x3-7H/8g (зазоры) по среднему диаметру. Расчет аксиальных зазоров в резьбовом соединении M105x3-7H/8g показал, что он может меняться в пределах от 0,028 мм до 0,898 мм (норма аксиального зазора 0,7 мм дана в Инструкции по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию колесных пар электроподвижного состава петербургского метрополитена «ПМетро-3/10-1», введенной в действие с 01.09.2012 г. и утвержденной заместителем начальника метрополитена 30.05.2012 г.), в радиальном направлении зазор меняется от 0,048 мм до 0,778 мм (норма 0,5 мм). Это подтверждает требования инструкции о необходимости подбора торцевой гайки к оси по аксиальному и радиальному зазорам.
Посадка гайки на ось на метрополитене выполнена в грубом классе точности.
2 Особенности конструкции гайки вагонов железнодорожного транспорта
На железнодорожном транспорте находятся в эксплуатации оси (тип РУ1) аналогичной конструкции с торцевым креплением подшипников гайкой М110х4-5Н6Н (посадка М110х4-5Н6Н/6Б). Общий вид и размеры торцевых гаек, применяемых на железнодорожном транспорте, представлен на рисунке 3. Торцевая упорная поверхность этих гаек выполнена с проточкой прямоу-
107
Рис. 3. Торцевые гайки, применяемые на железнодорожном транспорте: а, б - с проточкой прямоугольной формы; в - с проточкой ступенчатой формы;
г - с выточкой
гольной формы (рис. 3, а, б), с проточкой ступенчатой формы (рис. 3, в), с выточкой (рис. 3, г), которые придают им упругие свойства. В буксах колесных пар типа РУ1-957 применяют корончатые торцевые гайки, стопорные планки и болты М12 для крепления планок.
108
Изготавливают эти детали из стали Ст5 либо 40 Л1 методом точного литья. Корончатые гайки обычно изготавливают шестигранными с одиннадцатью пазами для постановки стопорной планки. Планку укрепляют в пазу торца оси двумя болтами, скрепляемыми вязальной проволокой.
Из ГОСТ 24705-81, ГОСТ 8724-2002 (СТ СЭВ 180-75, 181-75, 182-75) выписываем номинальные размеры наружного D (d), внутреннего D1 (d1) и среднего D2 (d2) диаметров резьбы, шага резьбы Р, исходной высоты профиля Н, а также угла профиля а для резьбы с номинальным диаметром 110 и мелким шагом:
D = d = 110,000 мм; D1 = d1 = 105,670 мм; D2 = d2 = 107,402 мм;
Р = 4,0 мм; Н = 0,8667P = 3,464102 мм; а = 60°.
Предельные отклонения диаметров резьбового соединения железнодорожного подвижного состава приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Предельные отклонения диаметров резьбы
Гайка M110x4-5H6H Наружная резьба оси M110x4-6h
Диаметр ES, мкм EI, мкм Диаметр еs, мкм ер мкм
D +H/10 ~ + 346 0 d 0 - 475
D2 + 256 0 d2 0 - 250
+ 600 0 d1 0 -H/8 ~ - 433
Были рассчитаны параметры резьбового соединения M110x4-5H6H/6g по среднему диаметру. Расчет аксиальных зазоров в резьбовом соединении показал, что он может меняться в пределах от 0,0 мм до 0,292 мм, в радиальном направлении зазор меняется от 0,0 мм до 0,506 мм.
Посадка гайки с зазором на ось на железнодорожного вагона выполнена в среднем классе точности.
3 Сравнение конструкций торцевых гаек вагонов метрополитена и железнодорожного транспорта
Гайки метрополитена и железнодорожные близки по конструкции, но отличаются номинальными размерами наружного диаметра (105 мм и 110 мм соответственно), величиной шага (3,0 мм и 4,0 мм) и точностью внутренней резьбы (7Н и 5Н6Н), в отличие от железнодорожной гайки поверхность прилегания не имеет никаких выточек.
109
Выточки на железнодорожной гайке в месте примыкания привалочной поверхности придают ей дополнительные упругие свойства и обеспечивают более равномерное распределение нагрузки на гайку по всем виткам резьбы, что повышает надежность работы резьбового соединения в эксплуатации. Помимо этого, точность выполнения резьбы на самой оси вагона метрополитена также ниже (8 против 6 степени точности железнодорожной оси), применено другое основное отклонение g вместо h (основное отклонение h обеспечивает при прочих равных условиях посадку с меньшим зазором).
Посадка гайки с зазором на ось железнодорожного вагона выполнена в среднем классе точности, а на метрополитене - только в грубом.
Известно, что в обычном резьбовом соединении вследствие различия деформаций болта и гайки усилия между витками резьбы на длине свинчивания распределяются неравномерно. Аналитические решения Н. Е. Жуков -ского показывают, что эти усилия распределяются по закону геометрической прогрессии, убывая в направлении от опорной поверхности гайки (рис. 4). В этом случае основную часть усилий воспринимают первые три-пять витка резьбы [5], при этом наибольшая нагрузка, равная 0,34 осевой нагрузки, воспринимается первым витком.
Впоследствии уточнению решения этой задачи были посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Особо следует отметить исследования И. А. Биргера, первым решившего эту задачу с учетом непрерывности витков резьбы.
Номер
битка
Рис. 4. Распределение нагрузки в резьбе (по исследованию Н. Е. Жуковского)
110
Н. Е. Жуковский показал также, что характер распределения усилий между витками резьбы в наибольшей степени зависит от конструкции гайки. Если последняя создает однотипность деформаций болта и гайки (растяжение), то обеспечивается более равномерное распределение нагрузки по виткам. Как показывает аналитическое решение, в таком соединении создается более благоприятное распределение нагрузки по виткам резьбы и, как следствие, этим повышается усталостная прочность резьбовых соединений. Поэтому известные конструктивные способы улучшения распределения нагрузки по виткам резьбы основаны в первую очередь на применении гаек и болтов специальной формы вместо общепринятых.
Эффективность конструктивных изменений болта и гайки, выполняемых для улучшения распределения усилий между витками, подтверждают и экспериментальные данные [7]. Влияние конструкции стяжки на характер распределения нагрузки R по виткам резьбы показано на рисунке 5. Экспериментально полученная кривая распределения нагрузки по виткам для
Рис. 5. График, отражающий влияние конструкции стяжки на распределение нагрузки по виткам резьбы (Q = 1,3 МН)
обычного резьбового соединения (без конструктивных улучшений) качественно согласуется (рис. 5, кривая 1) с расчетными данными, полученными по теоретической зависимости. Как видно на рисунке 5, наиболее нагружены верхние и нижние витки. Внесение конструктивных улучшений позволяет снизить уровень нагрузки на наиболее нагруженном верхнем витке.
Для возможности оценки неравномерности распределения нагрузки по виткам резьбы в работе [7] был предложен коэффициент неравномерности
111
if _ Rmax Rмин
KR - -
R
ср
Выполненные расчеты показали, что по мере улучшения конструкции резьбового соединения KR уменьшается, следовательно, конструктивные изменения позволяют значительно улучшить распределение нагрузки по виткам резьбы.
На рисунке 6 показаны некоторые способы улучшения распределения нагрузки между витками резьбы, основанные на применении гаек увеличенной высоты и измененной конструкции.
а)
б)
в)
Рис. 6. Графики распределения нагрузки по виткам в зависимости
от конструкции гайки:
а - обычная конструкция; б - удлиненная гайка; в - гайка с выточкой
Наличие на торцевой поверхности железнодорожной гайки специальных проточек, выточек позволяет более равномерно распределить нагрузку по виткам резьбы и повысить надежность работы резьбового соединения.
Заключение
Г айка торцевого крепления с выточкой, применяемая на железной дороге, имеет более оптимальную конструкцию, придающую ей упругие свойства, которая способствует более равномерному распределению нагрузки по всем виткам резьбового соединения, менее склонна к откручиванию при одинаковых условиях эксплуатации.
112
Поэтому для увеличения прочности и надежности торцевого крепления в варианте с торцевой гайкой целесообразно перейти на изготовление резьбы на торце шейки с дополнительным пластическим деформированием, накатыванием резьбы роликом и нанесением на резьбу уплотняющего герметика «Ступор».
Вариант торцевого крепления подшипников с помощью шайбы более работоспособен, но и при этом варианте происходит деформация и срез резьбы болтов или обрыв болтов.
Библиографический список
1. Колесная пара дифференциального вращения для вагонов метрополитена : дис. ... канд. техн. наук / Винник Леонид Владимирович. - СПб., 1997. - 155 с.
2. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений / А. И. Якушев, Р. Х. Мустаев, Р Р. Мавлютов. - М. : Машиностроение, 1979. - 215 с.
3. Детали машин: учебник для заочных техникумов / Н. Г. Куклин, Г. С. Куклина. -2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 1979. - 311 с.
4. Сопротивление материалов / В. И. Феодосьев. - М. : МГТУ, 1999.
5. Детали машин / Д. Н. Решетов. - М. : Машиностроение, 1975. - 655 с.
6. Приводы машин / В. В. Длоугий, Т. И. Муха, А. П. Цупиков и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, 1982.
7. Закономерности распределения растягивающей нагрузки по виткам резьбового соединения. / Н. Н. Зоров, Ю. С. Сафаров, В. К. Тутынин и др. // Вестник машиностроения. - 1973. - № 12. - С. 10-14.
8. Натяги и зазоры в роликовых подшипниках букс вагонов / В. А. Петров, В. Н. Цю-ренко. - М. : Транспорт, 1986.
© Будюкин А. М., Кондратенко В. Г., Розов М. Ю., 2014
113
