Метод измерений отклонений расположения базовых поверхностей для роликовых подшипников в щитах тягового двигателя локомотива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.333:62-233.2

В. И. ГЛУХОВ М. Н. ЛАКЕЕНКО С. Н. ДОЛЖИКОВ

Омский государственный технический университет

Омский опытно-инструментальный завод «Транспорт»

Омский государственный университет путей сообщения

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ БАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ РОЛИКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ В ЩИТАХ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛОКОМОТИВА

В статье представлены результаты исследований точности подшипниковых узлов тяговых электродвигателей локомотивов с целью повышения их н адежности и долговечности. Объектом исследований я в ляются подшипниковые щиты, в которых р азмеща-ются наружные кольца роликовых подшипников электродвигателя. Предметом исследований я в ляются взаимосвязи геометрических характеристик основных и вспомогательных баз подшипникового щита. Результатами работы яв ляются: идентификация системы координат подшипникового щита с помощью комплекта основных конструкторских баз, введение допуска перпендикулярности для ограничения углового перекоса оси и допуска соосности для ограничения линейного смещения оси базового отверстия для наружного кольца подшипника в двух координатных плоскостях, р азработка достоверного метода и средства измерений нормируемых отклонений расположения, защищенных патентом. Результаты работы внедрены в депо Омского региона при ремонте тяговых электродвигателей локомотивов и могут быть рекомендованы для применения при проектировании, на производстве, при контроле и эксплуатации любых < электродвигателей с двумя подшипниковыми опорами ротора.

Ключевые слова: технические изделия, детали, геометрические х ар актеристики, системы координат, реальные геометрические модели.

Повышение надёжности подвижного состава срок его службы, являются узлы моторно-якорных

железнодорожного транспорта не представляется подшипников. Срок службы моторно-якорных под-

возможным без увеличения срока службы тяговых шипников далеко не всегда совпадает с расчетным,

электродвигателей локомотивов. В тяговом электро- а часто оказывается во много раз меньшим, поскольку

двигателе локомотива одним из узлов, определяющих после сборки подшипниковых узлов действительные

В

Я М

05Щ

Рис. 1. Геометрическая модель подшипникового щита а — в плоскости ОХ41в; б — в плоскости ОУ21в; в — в плоскости ОХ4У2

значения радиальных зазоров и углы перекосов наружных и внутренних колец не соответствуют допускаемым. Регламентированные нормативной документацией методы и средства измерений, применяемые при контроле деталей подшипниковых узлов, не способны учитывать влияние отклонений расположения поверхностей деталей на характер их сопряжения. Поскольку после сборки на радиальный зазор и угол перекоса колец оказывают влияние характер сопряжения внутреннего кольца с валом якоря и наружного кольца с подшипниковым щитом, то необходимо учитывать их совместно.

Характер сопряжения внутреннего кольца с валом якоря был рассмотрен в работах [1] и [2]. В настоящей статье представлены результаты работы, направленной на разработку метода достоверных измерений отклонений расположения базовых поверхностей для роликовых подшипников в щитах тягового электродвигателя, что является актуальной задачей по обеспечению долговечности подшипниковых узлов. Объектом исследований являются подшипниковые узлы тягового электродвигателя. Подшипниковые щиты выполняют функции опор роликовых подшипников. Предметом исследований являются взаимосвязи геометрических характеристик элементов подшипниковых щитов и методы их измерений при контроле.

Цель работы заключается в том, чтобы показать влияние перекосов и смещений осей вспомогательных баз для наружных колец в щитах на радиальные зазоры в подшипниках. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана геометрическая модель подшипникового щита тягового электродвигателя с учетом информативности и служебного назначения его элементов в обобщенной системе координат, образованной комплектом основных конструкторских баз щита.

2. Исследовано влияние отклонений расположения элементов подшипникового щита на комплексные двухмерные размеры базовой поверхности, пред-

назначенной для посадки наружного кольца роликового подшипника, и на зазоры в подшипнике.

3. Разработана и аттестована методика измерений линейных и угловых отклонений расположения оси базового отверстия относительно обобщенной системы координат подшипникового щита.

4. Обоснованы допуски соосности и перпендикулярности оси базового отверстия для наружного кольца роликового подшипника относительно комплекта основных баз подшипникового щита.

Геометрическая модель подшипникового щита тягового электродвигателя представлена на рис. 1. Подшипниковый щит устанавливается в остов (корпус) двигателя. Комплектом основных конструкторских баз, определяющих положений подшипникового щита в остове являются: плоская установочная торцовая база А3 с информативностью 3, т.к. лишает подшипниковый щит трех движений: одного линейного и двух угловых; ось цилиндрической базы Б2 с информативностью 2, лишающая подшипниковый щит двух взаимно перпендикулярных поступательных движений по базе А3; ось цилиндрической базы В1 крепежного отверстия с информативностью 1, лишающая подшипниковый щит одного вращательного движения на базе А3 вокруг оси базы Б2. Поскольку число степеней свободы, лишаемых комплектом основных баз, равно шести (3 + 2+1=6), то основные базы образуют полную обобщенную прямоугольную систему координат [3] ОХ4У2Ев подшипникового щита. Ось Х4 располагается в плоском базовом элементе А3, проходит через оси баз Б2 и В1, имеет информативность 4. Начало координат О номинально располагается на пересечении базы А3 с осью цилиндрической базы Б2, а координатная ось У2 с информативностью 2 располагается в плоскости базы А3 перпендикулярно оси Х4. Ось Z9 имеет информативность, равную нулю, т. к. это — перпендикуляр, восстановленный из начала координат О к координатной плоскости ОХ4У2, в которой располагаются оси Х4 и У2 с общей информативностью 6.

б

а

в

Табличная форма геометрической модели подшипникового щита

Таблица 1

Номер и обозначение элемента детали и системы координат: обобщенной ОСК или вспомогательной ВСК

1

А3 ОХ4У2гв

2

Б2 ОХ4У2гв

3

Г4 ОХ4У2гв

4

Д1

ОХ4У226

5

В1

ОХ4У2гв

Вид, назначение, информативность и число ППР (первичных погрешностей расположения элемента)

П, ОБ, 1л +2у ППР=1л+2у-- 1л—2у = 0л+0у

Ц, ОБ, 2л

ППР = 2л+2у-2л=2у

Ц, ВБ, 0ст

ППР = 2л+2у-0 = = 2л+2у

П, ВБ, 0ст ППР=1л+2у-0 = = 1л+2у

Ц, ОБ, 1л ППР = 2л-1л=1л

Координаты,

размеры и первичные погрешности расположения, размеров и формы

90° ±АЕХ2 90°±АЕУ2 й2-Ей2 ЕР2

0±ЕХ3 0±ЕУз 90° ±АЕХ3 90°±АЕУ3 О3+ЕО3 ЕРз

ХЛ±ЕХЛ 0° ±АЕХ4 0° ±АЕУ4 ЕР4

Х5±ЕХ5 О5+ЕО5

ЕР5

Базы, размеры, допуски расположения, размеров и формы по технической документации

\А}0М5\Г\

|/| ОМ | / |

0920+ОО7+0'17

ШЛ \шп

0360 +

О 0.03 I

/01 0,03

36,5±1 Не нормируется Не нормируется Не нормируется

482,5+0,15 0965 +0,3 017 + 0,11 Не нормируется

Предложения, расчетные характеристики, варианты на основе геометрической модели

006 \А

Щ ом | А

36,5+0,05

// №_ А

СП 0.02

Обозначения: ОБ — основная конструкторская база; ВБ — вспомогательная конструкторская база; П —плоский геометрический элемент; Ц — цилиндрический элемент; л — ограничение линейной поступательной степени свободы; у — ограничение угловой вращательной степени свободы; 6 — цифра ноль.

Вспомогательной конструкторской базой для установки наружного кольца роликового подшипника является ось двойной направляющей цилиндрической базы Г4 с информативностью 4, лишающей наружное кольцо подшипника четырех движений: двух линейных и двух угловых. Поскольку при сборке тягового электродвигателя наружное кольцо своим внутренним торцом упирается в лабиринтное кольцо, то сопрягаемая с ним плоская поверхность подшипникового щита будет являться плоской опорной базой Д1, лишающей кольцо одного линейного поступательного движения. В процессе эксплуатации наружное кольцо, медленно проворачивается, т. к. подшипник рассчитан на циркуляционное нагруже-ние, поэтому число лишаемых вспомогательными конструкторскими базами степеней свободы равно пяти (4+1=5), что недостаточно для образования вспомогательной прямоугольной системы координат.

Все базы, размеры и первичные погрешности элементов геометрической модели подшипникового щита приведены в табл. 1.

Отклонения расположения элементов подшипниковых щитов согласно их геометрических моделей находятся в их обобщенных системах координат ОХ4У2Е6 (рис. 1). Расчетная схема отклонений расположения оси базового отверстия под наружное кольцо подшипника в обобщенной системе координат щита в плоскости ОХ4Е6 приведена на рис. 2.

Угол перекоса а1пщ оси вспомогательной базовой поверхности Г4, предназначенной для базирования наружного кольца роликового подшипника в щите

Рис. 2. Расчетная схема отклонений расположения оси гнезда под наружные кольца подшипника в щите тягового электродвигателя в плоскости ОХ41д

относительно перпендикуляра к основной базе А3, проходящего через центр С3 оси основной базовой поверхности Б2 и образующего ось Z6, можно рассчитать по формуле

ЕР

+(0.(035

Рис. 3. Схема методов измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита

ЕРЯ

(1)

где БРЯ3ащ — отклонение от перпендикулярности оси вспомогательной базовой поверхности Г4, предназначенной для базирования наружного кольца роликового подшипника, относительно плоскости установочной основной базовой поверхности А3; Z3 — длина образующей вспомогательной базы Г4 для наружного кольца роликового подшипника.

Угловой перекос а1пщ оси базового отверстия Г4 создается угловыми первичными погрешностями расположения АЕХ3 и А—У3 в координатных плоскостях ОУ2Яд и OX4ZQ, является векторным отклонением от номильного координатного угла 90° между осью вспомогательной базы Г4 и плоскостью основной базы А3 (рис. 1, табл. 1). Угловой перекос а1пщ оси базового отверстия Г4 приводит к уменьшению действующего размера диаметра отверстия, превращает диаметр в комплексный размер, изменяет характер посадки с зазором [4].

Линейное смещение центра С3 на оси базового отверстия Г4 является векторным отклонением от соосности ЕРС3, создается вектором эксцентриситета центра С3 в среднем сечении внутреннего цилиндрического элемента Г4 и его проекциями ЕХ3 и ЕУ3 на оси ОХ4 и ОУ2, как линейными первичными погрешностями смещения центра С3 от номинальных линей-

ных координат точки С3 с нулевыми номиналами Х3=0 и У3=0 (рис. 2, табл. 1).

Существующие методы измерений геометрических параметров деталей тягового электродвигателя не охватывают измерений линейных и угловых отклонений расположения оси базового отверстия для наружного кольца подшипника. Поэтому требуется разработка новых методов и средств измерений предлагаемых отклонений расположения, влияющих на зазоры и перекосы роликовых подшипников.

Разработаны два метода измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита:

— метод косвенных измерений отклонения от соосности -РС оси внутренней цилиндрической поверхности, предназначенной для базирования наружного кольца роликового подшипника (вспомогательной базы Г4), относительно оси наружной цилиндрической поверхности, предназначенной для установки подшипникового щита в остов (основной конструкторской базы Б2) по результатам прямых измерений радиального биения ЕСЯ в среднем сечении вспомогательной базы Г4;

— метод косвенных измерений углового перекоса а1 п щ оси внутренней цилиндрической поверхности, предназначенной для базирования наружного кольца роликового подшипника (вспомогательной базы Г4), как отклонения от перпендикулярности оси ЕРЯ, относительно основной конструкторской базы А3.

а

Для измерения отклонений расположения элементов подшипникового щита разработаны методы измерений, схема которых представлена на рис. 3. Измерения отклонений расположения элементов подшипникового щита выполняются разностным способом.

Силовое базирование объекта измерения. Подшипниковый щит 7 базируется установочной поверхностью (основной конструкторской базой А3) на три сферические опоры 3, материализуя координатную плоскость ОХ4У2 с возможностью поворота щита вокруг оси Z0 на 360°. Поверхность, предназначенная для базирования подшипникового щита в остове (основная конструкторская база Б2), вводится в контакт с призматическими опорами 2, которые установлены таким образом, что угол между ними составляет 90°.

Измерительное базирование средств измерений. Базирование преобразователей 5 и 6 осуществляется на стойке 4, которая расположена на основании 1 внутри отверстия вспомогательной базы Г4 так, чтобы одна плоскость измерения находилась в среднем сечении этой базы, а вторая — в верхнем. Согласно тангенциальному способу, линии измерения преобразователей должны быть перпендикулярны касательной, проходящей через точку контакта основной базовой поверхности Б2 подшипникового щита с одной из призматических опор 2.

Алгоритм метода измерений отклонения от соосности ЕРС вспомогательной базы Г4, относительно основной конструкторской базы Б2. Результат измерений отклонения от соосности ЕРС находится

^ изм

по разности наибольшего и наименьшего показаний преобразователя 6 в среднем сечении за один оборот объекта измерения вокруг оси Z0, что соответствует измерению радиального биения ЕСЯ, которые связаны зависимостью:

ЕСЯ

(2)

ЕСЯ = 2ЕРС + ЕБК1+ Е.К2,

(4)

где ЕЕК1 и Е.К2 — отклонения от круглости основной Б2 и вспомогательной Г4 конструкторских баз подшипникового щита.

Погрешность Аме—РС метода измерения отклонения от соосности находится по формуле

Д метЕРС =

2ЕРС + ЕЖ, + Е.К2

Ксх

-ЕРС

ЕЖд++ Е.К2 = К„

(5)

Алгоритм метода косвенных измерений углового перекоса а1пщ оси внутренней цилиндрической поверхности вспомогательной базы Г4. Находится как отклонение от перпендикулярности ЕРЯ оси относительно основной конструкторской базы А3 по результатам прямых измерений радиальных биений ЕСЯ в двух сечениях: верхнем и среднем.

Функция связи угла перекоса а1 пщ с отклонением от перпендикулярности оси ЕРЯ имеет вид:

= атс1д-

ЕРЯ

1

(6)

где 1 — длина образующей вспомогательной конструкторской базы Г4.

Отклонение от перпендикулярности ЕРЯ оси базы Г4 на длине измерения 1 относительно базы А3 подшипникового щита находится как разность радиальных биений ЕСЯ1 и ЕСЯ2 в верхнем и среднем сечениях базы Г4

ЕРЯ=ЕСЯ1 — ЕСЯ2,

(7)

где Ксх — коэффициент преобразования схемы измерения отклонения от соосности К =2.

1 сх

Погрешность метода измерения Дмет—РС отклонения от соосности оси вспомогательной базы Г4 относительно оси основной конструкторской базы Б2 можно рассчитать по формуле

Д ЕРС = ЕРС -ЕРС, (3)

мет изм

где ЕРС — отклонение от соосности по стандартизованному определению.

Согласно структуре радиального биения:

учитывая, что коэффициент преобразования схемы измерения отклонения от перпендикулярности К ЕРЯ = 1.

сх

Результат измерений отклонения от перпендикулярности ЕРЯ оценивается по разности показаний преобразователей 5 и 6 за один оборот объекта измерения вокруг оси Z0.

Погрешность метода измерения Дме—РЯ отклонения от перпендикулярности оси поверхности вспомогательной базы Г4 относительно плоскости основной конструкторской базы А3 будет практически равна нулю. При разностном способе измерения двумя измерительными преобразователями на результат измерения не будут влиять отклонения от круглости ЕЕК1 основной конструкторской базы Б2, т. к. на вход двух измерительных преобразователей будет одновременно поступать одно и то же местное значение отклонения от круглости базы Б2. На результат измерения не будут влиять отклонения от круглости Е.К2 вспомогательной базы Г4, т. к. оба преобразователя 5 и 6 касаются своими измерительными наконечниками одной образующей цилиндрической поверхности с одним и тем же местным значением отклонения от круглости.

По этим же причинам погрешность метода измерения углового перекоса а1 пщ оси вспомогательной базы Г4 относительно перпендикуляра к базовой плоскости А3 подшипникового щита также практически будет равна нулю.

Методы и средства измерений запатентованы [5], внедрены в депо Омского региона, показали высокую эффективность при ремонте тяговых электродвигателей локомотивов и рекомендованы к широкому применению.

Выводы. Информация, получаемая при определении характера сопряжения деталей с использованием реальных геометрических моделей, показывает, что необходимо совместно учитывать как линейные отклонения расположения элементов, так и угловые отклонения расположения элементов деталей относительно обобщенных систем координат на основе объединения линейной и угловой размерных цепей.

1. Разработанные методы измерений отклонений расположения элементов подшипникового щита позволяет с высокой точностью оценивать линейные и угловые отклонения расположения элементов в обобщенной системе координат, материализованной комплектом основных конструкторских баз.

2. Результаты измерений отклонений расположения позволяют находить комплексные размеры поверхностей элементов, образующих посадки при их информативности меньше максимальной.

3. Отклонения расположения элементов увеличивают действующие комплексные размеры наружных элементов и уменьшают действующие комплексные

а

1п.щ

размеры внутренних элементов, изменяют характер их посадки.

Библиографический список

1. Лакеенко, М. Н. Повышение геометрической точности вала якоря тягового электродвигателя / М. Н Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н. Должиков // Инновации для транспорта : сб. науч. ст. с междунар. участием : в 3 ч. / М-во транспорта РФ ; Федер. агентство ж.-д. транспорта ; ОмГУПС. — ОмГУПС, 2010. — Ч. 2. — С. 51—57.

2. Лакеенко, М. Н. Измерительный комплекс для контроля отклонений от соосности элементов вала относительно общей оси / М. Н Лакеенко, В. И. Глухов, С. Н Должиков // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы V Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клиныш-кова. — ОмГТУ, 2010. — С. 210 — 212.

3. Глухов, В. И. Открытие различной информативности осей координат в системах отсчета геометрических величин деталей машин и приборов / В. И. Глухов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2010. — №3 (93). — С. 193—196.

4. Глухов, В. И. Геометрические характеристики изделий. Комплексные нормы взаимозаменяемости : моногр. / В. И. Глухов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. — 160 с.

5. Пат. 109844 и1 (Ш), С01В 5/24. Устройство для измерения геометрических параметров / М. Н. Лакеенко (ИИ), С. Н. Должиков (ИИ), В. И. Глухов (ИИ), А. Н. Головаш (ИИ) ; патентообладатель Головаш А. Н. (Ш). — № 2011122059/28 ; заявл. 31.05.2011 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.

ГЛУХОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела, стандартизации и метрологии, заведующий секцией метрологии и приборостроения Омского государственного технического университета. ЛАКЕЕНКО Максим Николаевич, кандидат технических наук, главный метролог Омского опытно-инструментального завода «Транспорт». ДОЛЖИКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры локомотивов Омского государственного университета путей сообщения. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 10.10.2016 г. © В. И. Глухов, М. Н. Лакеенко, С. Н. Должиков

УДК 546.26:577.322:544.723.2:620.187

Н. А. ДАВЛЕТКИЛЬДЕЕВ Е. Ю. МОСУР В. В. БОЛОТОВ И. А. ЛОБОВ

Омский научный центр СО РАН

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

ПОВЫШЕНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКОВАЛЕНТНОЙ ИММОБИЛИЗАЦИИ ГЕМОГЛОБИНА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОКОМПОЗИТА «ГЕМОГЛОБИН/ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ»_

Исследована эффективность нековалентной иммобилизации гемоглобина (НЬ) на нелегированные и легированные азотом углеродные нанотрубки (УНТ). Установлено, что адсорбция НЬ на легированные УНТ существенно увеличивается при значениях рН ниже изоэлектрической точки белка. Показано, что легированные азотом УНТ адсорбируют гемоглобин с большей эффективностью, чем нелегированные, благодаря наличию дополнительного электростатического взаимодействия между белком и нанотрубкой.

Ключевые слова: гемоглобин, у глеродные нанотрубки, нанокомпозит, спектрофотомет-рия, физическая адсорбция.

Введение. Актуальность исследования взаимодействия молекул гемоглобина (НЬ) с углеродными нанотрубками (УНТ) обусловлена перспективностью нанокомпозитов «НЬ/УНТ» для биосенсорных приложений [1]. Связывание гемоглобином О2, N0 и СО

приводит к изменению его электрических свойств, что позволяет использовать НЬ в качестве активного компонента электрохимических биосенсоров. УНТ, обладая уникальными электрическими свойствами и морфологией, могут выступать в роли носителя