Буксовый узел грузового вагона с повышенной жесткостью шейки оси Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

уДК 6294027115 А. В. БОРОДИН

Ю. А. ИВАНОВА Д. Б. ГРИЦ

Омский государственный университет путей сообщения

БУКСОВЫЙ УЗЕЛ

ГРУЗОВОГО ВАГОНА С ПОВЫШЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ШЕЙКИ ОСИ_

Рассмотрены причины снижения грузоподъемности вагонного буксового узла. Предложены варианты модернизации буксового узла с повышенной жесткостью шейки оси: применение оси со ступенчатой шейкой с увеличенным диаметром ступени для размещения заднего подшипника; оси с уменьшенной консольной частью и подшипником новой конструкции. Выполнен расчет прогибов и углов поворота сечений шейки оси методом конечных элементов. Предложенные конструктивные решения позволяют снизить угол перекоса колец подшипников.

Ключевые слова: грузовой вагон, буксовый узел, ось, жесткость, подшипник.

Согласно Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г. предполагается увеличение грузоподъемности вагонов, планируемое значение нагрузки на ось составляет 270-300 кН [1].

Актуальной задачей является разработка перспективных конструкций грузовых вагонов и их отдельных элементов.

Одна из причин снижения грузоподъемности вагонной оси — взаимный перекос колец подшипников, возникающий при упругой деформации шейки оси от воздействия радиальных составляющих сил, действующих на колесную пару вагона.

Даже при небольшом значении угла перекоса колец подшипника (1 угл. мин) на одном из краев ролика давления могут увеличиваться в 2-3 раза.

о

го

Рис. 1. Буксовый узел грузового вагона со ступенчатой шейкой оси: 1 — ось; 2 — первая ступень оси; 3 — вторая ступень оси;

4 — внутреннее кольцо подшипника; 5 — внутреннее кольцо подшипника; 6 — наружное кольцо подшипника; 7 — наружное кольцо подшипника

б

Рис. 2. Схема нагружения оси колесной пары грузового вагона: а — действительная; б — расчетная

Возникающие концентрации контактных давлений уменьшают срок службы и являются причиной повышенного износа деталей или заклинивания подшипника буксы.

Рекомендуемое значение допустимого угла поворота сечения оси для цилиндрических роликоподшипников с короткими роликами без модифи-

цированного контакта (бомбины) — до 4 угл. мин, с бомбиной — до 10 угл. мин [2].

При исследовании влияния увеличения нагрузки на работоспособность буксовых подшипников установлено, что применение осей типа РУ1 и РУ1Ш для вагонов с нагрузкой на ось 250 кН и более не может гарантировать безопасной работы подшипников вследствие превышения допускаемого значения угла перекоса колец более чем на 10 % (более 11 угл. мин при допускаемом значении 10 угл. мин) [3].

С целью повышения жесткости буксового узла и уменьшения значений прогиба и угла поворота сечений шейки оси предложены варианты модернизации осей и выполнен расчет модернизированных осей методом конечных элементов. Расчет выполнен для состояния покоя под воздействием статической нагрузки с учетом геометрических параметров и свойств материала. Предполагается выполнение модернизации на основе оси типа РУ1Ш из углеродистой стали марки ОсВ (модуль упругости Е = 2,1108 Па) для осевых нагрузок 250 и 300 кН.

Первый вариант модернизации буксового узла колесной пары (рис. 1) заключается в выполнении ступенчатой шейки с увеличенным диаметром под кольцо заднего подшипника, при этом наружные диаметры колец подшипников выполняются равными диаметру [4].

Для расчета приняты следующие допущения:

1. Вагонная ось (рис. 2а), воспринимающая нагрузку от кузова вагона и передающая ее на путь, рассматривается как балка, нагруженная распределенными силами и Q2 на каждую ступень и опирающаяся на две шарнирные опоры С и Д из которых одну следует считать подвижной (рис. 2б). В опорах возникают реакции ЯС и Яс. Такая схема приблизительно соответствует действительной работе оси, опорные сечения которой при изгибе могут поворачиваться, причем расстояние между точками С и Б может изменяться [5].

2. Для расчета прогиба и угла поворота сечения принято, что 60 % нагрузки воспринимает задний подшипник и 40 % — передний [6], поэтому с допускаемыми значениями сравниваются значения прогиба и угла поворота сечения, соответствующие заднему подшипнику.

Результаты расчета прогиба и угла поворота сечения оси при значениях нагрузки на ось вагона ро = 250 кН и ро = 300 тс представлены на рис. 3.

Сравнивая расчетные значения прогиба и угла поворота сечения с допускаемыми, можно заключить, что при осевой нагрузке вагона 250 кН угол поворота сечения заднего подшипника (фшз(25) = 7,96 угл. мин) не превышает допустимого значения для цилиндрических роликоподшипников с модифицированным контактом. При нагрузке на ось 300 кН угол поворота сечения заднего подшипника (фшз(30) = 9,55 угл. мин) близко приближен к допустимому, но не превышает его. При обоих значениях нагрузки угол поворота сечения превышает допустимое значение (10 угл. мин) для цилиндрических роликоподшипников без модифицированного контакта.

Второй вариант модернизации буксового узла колесной пары заключается в том, что шейка оси для установки роликовых подшипников выполнена с уменьшенной консольной частью. На полученной посадочной поверхности предлагается монтировать роликовый подшипник (рис. 4, 5), содержащий наружное и внутренние кольца с бортами, ролики,

а

утл. мин 12

фппЗ

10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12

...

______з ч фдо п

\\ V / У о N . 4

фпп1 < >пз1

// X \\

Эп 2 / \

Э'ПЕЙ Л \

/

V/ \\ \

/А фдоп . — N. V л

"Э'пп4

мы 1.2

1

0.8 0.6 0.4 0.2 О -0.2 -0.4 -0.6 -0-8 -1 -1.2

0.25 0.5 0.75

1.25 1.5 1.75

2.25

Рис. 3. Зависимость прогиба и угла поворота фЫ сечения ступенчатой шейки оси от статической нагрузки по длине оси x (с индексами «шп» и «шз» для участков шейки оси под передним

и задним подшипниками соответственно): 1, 3 — угол поворота сечения оси фЫ при статической нагрузке 250 и 300 кН соответственно; 2, 4 — прогиб сечения оси вЫ при статической нагрузке 250 и 300 кН соответственно

Рис. 4. Буксовый узел грузового вагона с уменьшенной

консольной частью шейки оси: 1 — ось; 2 — первая ступень оси; 3 — вторая ступень оси; 4 — внутреннее кольцо подшипника; 5 — внутреннее кольцо подшипника; 6 — наружное кольцо подшипника; 7 — наружное кольцо подшипника

воспринимающие радиальную нагрузку, и сепаратор [7], размещенный между телами качения. Наружное кольцо выполнено безбортовым с канавкой для размещения стопорного кольца, внутренние кольца — с высокими бортами, обеспечивающими небольшой зазор с внутренней поверхностью наружного кольца и канавками арочного профиля на торцах бортов колец. В торцах роликов выпол-

Рис. 5. Роликовый подшипник: 1 — наружное кольцо; 2 — внутренние кольца; 3 — ролики; 4 — сепаратор; 5 — шарики; 6 — стопорное кольцо; 7 — кольца

нены соосные сферические углубления, в которых размещены тела качения — шарики, контактирующие с поверхностями канавок [8]. Наружный диаметр подшипника остается таким же, как и у типового.

Для расчета углов поворота и прогибов шейки с уменьшенной консольной частью принято допущение: вагонная ось, воспринимающая давления от кузова вагона и передающая их на рельсы, рассматривается как балка, нагруженная распределенными силами и Q2 на каждую шейку оси и опирающуюся на две шарнирные опоры С и Д из которых одну следует считать подвижной.

Результаты расчета прогиба и угла поворота сечения оси при значениях нагрузки на ось вагона ро = 250 кН и ро = 300 кН представлены на рис. 6.

Сравнение полученных значений прогиба и угла поворота сечения с допускаемыми показывает, что при нагрузке 250 кН угол поворота

Е

X

О го

угл. Ы1Ш 12

10

4 2 О -2 -4 -6

-10

-12

\

— фшзЗ фдо п

„ —^ У — 4

N / . "X — \

2 . \

\ N \\

л NN

2 //

/

ж V \ ч

' \ V

Д л чЧГ 1 \\

V

9 4 \ х

\

Л доп ч

/

мм 1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

О

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

-1.2

О

0.25 0.5

0.75

х

1.25 1.5 1.75

2.25

Рис. 6. Зависимость прогиба и угла поворота фЫ сечения шейки оси с уменьшенной консольной частью от статической нагрузки по длине оси x (с индексами «шп» и «шз» для участков шейки оси под передним и задним подшипниками соответственно): 1, 3 — угол поворота сечения оси при статической нагрузке 250 и 300 кН соответственно; 2, 4 — прогиб сечения оси при статической нагрузке 250 и 300 кН соответственно

сечения, соответствующего расположению заднего подшипника (фшз(25) = 6,79 угл. мин), не превышает допустимого значения для цилиндрических роликоподшипников с модифицированным контактом (10 угл. мин). При осевой нагрузке 300 кН угол поворота сечения, соответствующего расположению заднего подшипника (фшз(30) = 8,15 угл. мин), также не превышает допускаемого значения (10 угл. мин). При обоих значениях расчетной нагрузки угол поворота сечения превышает допустимое значение для цилиндрических роликоподшипников без модифицированного контакта, но при этом меньше, чем угол поворота, полученный для ступенчатой оси.

Выводы. Применение буксовых узлов с типовыми шейками осей колесных пар грузовых вагонов с повышенной нагрузкой на ось не обеспечивает достаточную жесткость для эффективной работы подшипников качения. Выполнение ступенчатой шейки оси и оси с уменьшенной консольной частью позволяет при повышенной нагрузке на ось снизить угол перекоса колец подшипников на 15 — 40 %. Внедрение оси с уменьшенной консольной частью позволяет также снизить массу оси колесной пары и уменьшить расход металла для ее изготовления.

Библиографический список

1. Гапанович, В. А. Белая книга ОАО «РЖД»: Стратегические направления научно-технического развития компании / В. А. Гапанович // Железнодорожный транспорт. — 2007. — № 8. - С. 2-6.

2. Решетов, Д. Н. Детали машин : учеб. для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов / Д. Н. Решетов. — М. : Машиностроение, 1989. — 496 с.

3. Бородин, А. В. Влияние повышенной осевой нагрузки на работоспособность буксовых подшипников / А. В. Бородин,

М. И. Ковалев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 3 (103). — С. 140—143.

4. Пат. 149000 РФ, МПК В 61 Б 5/52. Букса грузового вагона / Бородин А. В., Гриц Д. Б. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. — № 2014129461/11 ; за-явл. 17.07.2014 ; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35. — 4 с.

5. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. — М. : Наука, 1976. — 608 с.

6. Волков, Н. Н. Подшипники качения колесных пар вагонов и локомотивов / Н. Н. Волков, Н. В. Родзевич. — М. : Машиностроение, 1972. — 168 с.

7. Пат. 2403464 РФ, МПК Б 16 С 19/22, Б 16 С 33/46, В 61 Б 15/12. Сепаратор роликоподшипника буксы подвижного состава / Бородин А. В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. — № 2009122733/11 ; за-явл. 15.06.2009 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31. — 4 с.

8. Пат. 144127 РФ, МПК Б 16 С 19/49, Б 16 С 19/20, В 61 Б 15/12. Роликовый подшипник / Бородин А. В., Гриц Д. Б. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. — № 2014129461/11 ; заявл. 17.07.2014 ; опубл. 20.12.2014, Бюл. № 35. — 4 с.

БОРОДИН Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой теории механизмов и деталей машин. ИВАНОВА Юлия Алексеевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теории механизмов и деталей машин. Адрес для переписки: Ivanovatmdm@mail.ru ГРИЦ Дмитрий Борисович, преподаватель кафедры теории механизмов и деталей машин. Адрес для переписки: Gritstmdm@mail.ru

Статья поступила в редакцию 19.04.2016 г. © А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, Д. Б. Гриц