Методика расчета напряжений в корпусе моторно-осевых подшипников качения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629402 С. Г. ШАНТАРЕНКО

В. Ф. КУЗНЕЦОВ Е. В. ПОНОМАРЕВ О. Д. ЮРАСОВ

Омскийгосударственный университет путей сообщения

методика расчейГа напряжений

в корпусе оыютсорыко-осЕвь-х

подшипников качения_

В статье преднтавоота методико расчеаа напрпжаист 1смстеЕоалЕ днаалей поо-шипникового узла электровоза 2ЭС6 и выполнена оценка его эксплуатационной надежности. Рассмотрвео воздействие веса еаооврго таектродвигателя, крутящего момента, стыеовым оероаевстенна меворио-вветоа подшипник. ододченная методика позволяет произвести оценку максимальных напряжений, возникающих в материале ророуса моеорно-осейыхподыойнжои (<001^0^010^0^ блока электровоза 2ЭСв.

Ключевые слова: моторно-осевой подшипник, корпус подшипникового узла, тяговый электродвигатель, войраженяе,аоосактнся гала.

На грузовом электровозе постоянного тока 2ЭС6 «Синара» применен колесно-мотсфный Тлок с двумя роликовыми моторно-осевыми подшипниками качения М 246949 — М 246910, объединенными жестким корпусом. Такая конструкдиилбе-спечивает качественную регулировку подшипников при сборке и стабильность при эксплуитаци).

Работоспособность и долговечность данных подшипников с гарантированным пробегом не менее 5 млн км не вызывают сомнения. Эксплуатационная надежность корпуса подшипникового узла не имеет на данный момент теоретического или эксплуатационного подтверждения, так как на электровозе «Синара» такая конструкция использована впервые.

Долговечность деталей металлоконструкций можно оценить по величине допустимыв наортже-ний и по кривой живучести материала детали в условиях циклических нагружений. Поле напряжений материала корпуса моторно-осева-х подшипников формируется под воздействием нагрузок со стороны тягового электродвигателя (ТЭД), а также эпизодических и циклических сил со стороны колесной пары при движении локомотива по рельсовому пути.

Со стороны тягового двигателя нагрузка на под-шопсик онаЕикаетот ееса ТЭД и от у-утящегмо-ментов (рис. 1) при различных режимах работы. Расчен ни^нженийеъл действия веса ТЭД. й[агрузку, превыыящнотяна падосипнив ыа веса тягового двигателя, находим из уравнений статического кагноваанв:

К + Коп - Рдв = 0

(1)

где — упругаясилаподвешивания тягового электродвигателя;

Яои —реакция опоры на моторно-осевые подшипники;

¡1 — расстояние от точки подвешивание тягового двигателя к раме тележки до оси вращения якоря тягового двигателя;

¡2 — расстояние от осивращенияякорятягового двигателя до оси вращения колесной пары; — вес тягового двигателя. Суммарная нагрузка на моторно-осевые под-

шипниди

Коп =

¡.Рдв 1,+1„

(2)

а "П \\1 /\ \ Яо, \ ^ \

/ /

Рэе /

¡1 Ь

Рис. 1.Схема подвешивания тягового электродвигателя

Рис. 2. Распределение напряжений по области контакта подшипника с его корпусом

КопЬ - йп', = 0

у =

I,

Хп ГО + Н

(3)

1-|М0

Фо

(до)

У = Зн„у„

■л чфпчуу

УУ попученного соегикшепия находим УУ

(7)

(8)

27 Р

2В1Рдв

п2 гЛД + У

(9)

Я™ =

В, +и

(11)

Радиальная погонная нагрузка на один подшипник

К =

Рдв71 + Мр

21Л + В2) "

(12)

Мапснмалнмсе значение напрежения в материале корпуса подшипникового узла найдется по формуле:

Рис.3. Схемаопределения контактныхсил

Оадиальная пегооное нагрузке на один подшип-

2(Рдв I, +Мкр) п2гп1п0, + ¡2)'

(13)

где _И — шнрина нспржното иояьра подшимника.

Ньобооыоие нснряжнноя а маткситла нотиыкя подгниндиковогд узла возникпуг к -(злости наа се-тиензнис со иеншудинкон.

Для расчета поля напряжений (нов. Н( в втоп вВ-илсаи иогнин скспоиазеканизи нмууричессой формула, еаспредегсния Нсапрзяжзг^и!] [1]:

Таккаксочленениеподшипникасегокорпусом гр оиз вндитс я без зазора, то ф0 = — , тогда

н = н.нт)'

Унсменгиннин ггог]ат-зка но участил сУг = -аЧф равна

ОУ = н(ф)чаЧф. (6)

Иеези иа — нонужиый уадиус ноиуитниые. М°н одредеплииксуммартой нагрузка пнсегоис руемвыражение(6)пообластиконтакта

Величинакрутящегомомента зависитот массы поезда и режима его движения (трогание с места, наборскорости,режимдлительнойтяги).

Расчетнапряжений от действиясил состоро-нырельсовогопути.

Со стороны колесной пары на моторно-осевой подшипник действуют динамические силы, возни-кающиепридвижении локомотива по рельсовому пути.Основнымифакторамивозникновения динамических сил являются: неравноупругость рельсо-вогопути;различногорода геометрическойнеров-ностирельсовогополотна;стыковые рельсовые сое-дииения; маепон—нио от о!К]Э51есности по к]зугу кмоа-нии иразница радиусов колесколеснойпары.

Наибольшем нггфяженста в материале .чс^тктиеей подшипникового узла возникают при прохождении кятескм зиыдобых нтровноокай. Куоае ртго, при рвижетии ктослттива по ьтыковому тоьтсосомн пуги ке^т^ттче^с;кийхктк9оек1^;^]ико^кноя напряжвний п]м^]видкт к ^споклн^отггт «стотенню» иктьреала.

Воздействие стыковой неровности придает ко-отьдип тре ть;ктт1сс^л.г,пук] лтсс^твоокк^геою скь-рости, которую с достаточной степенью точности о^к жно задат ь ф армулой [2]:

У„

УЛ

(14)

Поднтавлон в (8) сьфажвним ]0) опте^ И пеоусвем Мясаеаеую фоуммеу дю аычнелееим н^яттив-ки^кь) яи наеднженияв маоюртавемортуас ]^с^тс]-)ю^от^1 вых подшиовиаов ТЭД от Рствия веса двигателя

где 1з — величина зазора в стыковом рельсовом со-eпинтниа, г — т)к|ОХ^0^т нокьсс,^( — 0кунрьрь локо-

Хрнетор за счет приобретенного колесной па-poпкктичocтва птпжeния в оСтасти контакто эоо-ментов подшипникового узла возникают упругие вилы. Знан тсличины этчисил и их pсcтроитхтаия ви ртлтоан подшсьника, мтж:клpacтмхoaть поис наофяжаний в матортоль корпуса по1oшипничoло-

(( утит

Дляопределения контактных сил в области кон-льсь— тoкшкoн йь9шикрики с -)одш:гпшико]3]Г1м^ кольцами воспользуемся расчетной схемой (рис. 3).

Дляроликовых подшипниковраспределение нагрузки I5 уоьиcзcoкит гтким лОьезем[ тто она нлибо-лее погруженный ролик подшипника приходится (ила [l]

Расчет напряжений от воздействия крзтящего момзнтаТЭД.

Длякрутящего ]томента Мкр наоситягового ьян-сателя -ртнаения еттчмчетиаго 8aвнягасун аьимуа вНП:

- Ки =мкр ( )

Нагрузка на моторно-осевые подшипники от к]эугещеао мсмгмтт

Р„.В1 + М„

4,6Р ,

(15)

где п — количествороликовв подшипнике.

Г^е^г^жас-л^гт^^с^^ но стин нвличecьте

движения колесной пары, приобретенное завремя

— сВятонот сИлой ° опpeдeляиtьп

,У- =2$РП,

(16)

где mкп — масса колеснойпары.

Проекция Vв на радиальную ось подшипника, проходящую через наиболее нагруженный ролик, представитсявыражением:

0

4,6F 1 V = ■ A 3

2 r,

(17)

Упффгаз сила в области контакта ролика с анеш-нимкольцом подшипники и их сближение Z связаны сооккошеииен [3]:

гее k = 2

1 2 1 - I

20 П = — k,

(18)

dm„Z

dt

+ о = с,

(19)

п ПТ

m вП ц —=Z = 0 т 2k

с начеаоными условиями:

t0 = 0 ; П0 =0 ; ПП0 = К

бсшение уновнения(20) пмеет вид: ¿0

Z = — sin cs0i, И;

здись Ио

22m]

Мексимвиьноезисменив оснтактной силы

Пгп1Р ш VA1, п1ртр

2снО

РП 12 '

2Fm

1р nil

mp

уй -121р nk

(26)

и, И — зоэффмцнеьт Пнассона и модуса мпоуззгтн мотириелв тсв)итттиногоок,в, 0р — нвинв ниегми

Дф нповистоннм веиочиньг сближения лееполь-зуемся законом изменим кооинестем движение ролнко пздмгминика с тфсюпцис на оси ВШ

гцн зпр — нисса оснсса.

Памстазеим выражении силы F из уравнения ]1Г)о иенмнеемдифференциальное уравнение

(20)

(21)

(22)

(23)

Максимальное напряжение в материале под-шипниканаходим извыражения

Ресуеиетитующее мткснмальее еознежное иа-пряжение в материале корпуса моторно-осевых покшиннитвс наыоди]н сумноротенитм етпреже-тиРоу ноауеНеевия итговогодвигеоеля и колесной пары

Яопа+ = Я0 + Я К ша* (27)

Еенн сно1ковоо соедиыееие павеокииттаи мнсео-кратно, то для оценки эксплуатационной надежности тоомопниковосо езла тиомт макскоальных значений напряжений необходимо учитывать жи-вдо1еотм мстериало тортнга подшнпнииа три о-ннои-ческом нагружении. При этом за амплитуду разма-ханапряжений необходимо взять значени+ Як шах.

Полученные расчетные формулы (8) — (27) по-зволяютдать оценкумаксимальным напряжениям, возникающим в материале корпуса моторно-осевых подшипниковколесно-моторного блокаэлектрово-за2ЭС6, взависимостиот режима работытягового двигателя, скорости движения локомотива и параметров стыковогорельсового соединения.

Библиографическийсписок

1.Опорыосейиваловмашиниприборов/Н.А.Спицын [и др.]. — М. : Машиностроение, 1970. — 520 с.

2. Влияние конструктивных особенностей подвески тягового электродвигателя на эксплуатационную надежность мо-торно-осевых подшипников / В. Ф. Кузнецов [и др.] // Вестник РГУПС : науч.-техн. журнал / Ростовский гос. ун-т путей сообщ. — Ростовн/Д.,2011. — №1. — С.67-72.

3. Динамика контактного взаимодействия упругих тел / В. Ф. Кузнецов [и др.] // Известия Транссиба : науч.-техн. журн. / Омский гос. ун-т путей сообщ. — Омск, 2013. — № 3. — С. 24-30.

4. Безухов, Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. ИБезухов. — М. : Высшая школа, 1961. — 531с.

(24)

где г^и о внулренниу рокауь внешенго кильцн пид-шипника и радиус ролика.

РЛля расанне еакряжшний is унеереенк уортусу подшинвионв восплнгшулмея фмгмулеми рлшиния задачи о нагрузке полубесконечной пластины со-суидоиоченной силой [4]

(25)

здесь h — толщина внешнего кольца подшипника. Таким образом при прохождении колесной парой стыковой неровностив материале корпуса подшипникового узла возникает поле напряжений с макси-мальнымзначением в области сочленения с внешним кольцомподшипника

ШАНТАРЕНКО Сергей Георгиевич, доктор технических наук, доцент (Россия), проректор по научной работе, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».

КУЗНЕЦОВ Виктор Фёдорович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры выс-шейматематики.

ПОНОМАРЕВ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, начальник научно-исследовательской части.

ЮРАСОВ Олег Дмитриевич, преподаватель кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог».

Адрес для переписки: druidj@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 15.08.2014 г. © С. Г. Шантаренко, В. Ф. Кузнецов, О. Д. Юрасов

Е. В. Пономарев,

4pV.13

ст

и