CC BY
29
Новые прикладные технические решения для железнодорожного транспорта
К. Н. ВОЙНОВ, докт. техн. наук, профессор ПГУПС, академик Санкт-Петербургской инженерной академии
В статье освещаются некоторые технические решения, имеющие различное практическое применение как для железнодорожного транспорта, так и для иных отраслей промышленности и для медицины.
Представляем вашему вниманию следующие успешно апробированные разработки:
• обеспечение постоянного и эффективного смазывания зубчатых колес и кулачковых механизмов;
• шаровой насос повышенной надежности;
• новая конструкция карданного вала вагонного генератора;
• обработка деталей/заготовок без образования заусенцев.
Теперь последовательно опишем технические возможности и достоинства каждой из выше приведенных позиций.
По поводу смазывания зубчатых колес и кулачковых механизмов
Проблема состоит в том, что при смазывании тяжелонагруженных тихоходных (или иных подобных) зубчатых колес первоначально заложенная в них пластичная смазка уже после нескольких полных оборотов шестерни/колеса выдавливается в стороны, позволяя образовываться сухому трению в зубчатых зацеплениях. Это приводит к более интенсивному изнашиванию зубьев, появлению пит-тинга, задирам, грению сопряжения, выкрашиванию и даже схватыванию контактирующих материалов пар трения.
Следовательно, надежность работы зубчатых передач заметно снижается, а при сухом (или почти сухом) трении еще и увеличивается шум от работающего механизма. Здесь не рассматриваются такие традиционные способы смазывания жидкими маслами скоростных, высокооборотных зубчатых за-
цеплений, как обливанием, окунанием, масляным туманом и др.
Приведенный негативный момент выдавливания пластичных смазок из зон контакта зубчатых передач (прямозубых, косозубых и иных) весьма характерен для очень многих конструкций машин и механизмов, применяемых в коробках передач, в редукторах электрических домкратов, в грузоподъемных, а также в транспортных системах и пр.
Нам (совместно с аспиранткой Е. В. Самойловой) удалось эффективно решить данную проблему путем прочного закрепления ограничительных упругих элементов (например, в виде полос из маслобензостойкой резины) по обе стороны зубчатого колеса или шестерни, которые препятствуют какому-либо окончательному удалению смазочного материала из зоны сопряжения. Дело в том, что при входе пары зубьев в зацепление смазка начинает в основном выдавливаться в стороны, хотя частично может перетекать и через вершину головки зуба. При этом упругие ограничительные элементы слегка выпучиваются, а после ухода конкретной зубчатой пары из зацепления они снова сжимаются, принимая первоначальное положение и возвращая выдавленную смазку обратно в свободные пространства между зубьями.
Из-за того, что смазка интенсивно выдавливается вбок / в бока колеса, появляется негативный эффект, связанный с образованием в зубчатом зацеплении практически сухого трения, что в конечном итоге достаточно быстро приводит к отмеченным дефектам, резко сокращающим сроки нормальной эксплуатации, в том числе и по причине интенсивного изнашивания сопряжения.
Рис. 1. Пример эффективного и постоянного смазывания кулачкового механизма: 1 — лоток для удерживания смазки снизу; 2 и 3 — кольцевые упругие ограничительные элементы из маслобензостойкой резины, прочно прикрепленные по бокам эксцентрикового диска; 4 — опора, крепящаяся к основанию/корпусу
Рис. 2. Схема прибора: 1 — электродвигатель; 2 — датчик чисел оборотов Холла; 3 — муфта соединительная; 4 — ступенчатый цилиндрической формы образец; 5 — весы электронные; 6 — основание; 7 — стакан прозрачный; 8 — крышка; 9 — опора с верхней планкой
Рис. 3. Два варианта конструкции насоса: с плоскими дисками для выброса жидкой среды (слева); с конической формой дисков (справа)
Таким образом, можно обеспечить постоянное смазывание зубчатых зацеплений как различных по форме, так и по пространственному расположению. Стабильность подвода смазки гарантируется на 100%.
Кроме того, практически аналогичное техническое решение получено и для кулачковых механизмов, например, в виде толкателей, имеющих в своей конструкции эксцентриковый диск (рис. 1).
Область трения в паре диск — толкатель в разработанном варианте смазывания также никогда не оказывается без смазочного материала, то есть сухое трение отсутствует, а наличие пленки смазки существенно улучшает работу пары трения и продлевает ресурс в эксплуатации не менее чем в два раза.
Наконец, следует также упомянуть, что качество и адгезионные свойства пластичных смазочных материалов быстро и точно теперь могут проверяться на созданном новом приборе — адгезиметре (рис. 2).
Адгезиметр универсальный содержит высокооборотный электрический двигатель, скорость вращения выходного вала которого фиксируется датчиком Холла и при этом частота вращения образца может плавно регулироваться. Выходной вал двигателя через муфту соединен с пустотелым цилиндрическим, например, трехступенчатым образцом, что позволяет получать разную окружную скорость вращения. На наружную поверхность образца, который находится внутри прозрачного стакана, наносится определенное количество смазочного материала. Сверху стакан закрыт крышкой, чтобы смазочный материал не вылетал из зоны вращения образца. Стакан с крышкой установлен на точных электронных весах, размещенных на основании. Все части прибора, кроме двигателя, находятся в опорной конструкции. Даже по первым моментам отрыва смазки с вращающе-
гося ступенчатого цилиндрического образца за счет возникающей центробежной силы можно дать быстрое экспресс-заключение о пригодности конкретной смазки к работе. Адгези-метр универсальный может быть дополнительно снабжен системой охлаждения и нагрева смазочного материала, что позволяет проверять качество смазки при повышенных и пониженных температурах, имитируя тем самым эксплуатационные условия работы системы.
Шаровой насос повышенной надежности
Изучение конструкций различных типов применяемых в промышленности насосов показало, что большинство из них сложны в изготовлении, имеют много пар трения и недостаточно надежны в эксплуатации. Эти недостатки удалось ликвидировать разработкой нового типа насоса шаровой конструкции (рис. 3); соавторы — Е. В. Черток, Б. А. Дёжинов.
К достоинствам такого типа разработанного насоса относится и то, что это полностью бесклапанная конструкция, регулируемая, реверсивная без остановки работы насоса и, вместе с тем, это обратимая гидромашина. Насос со-
держит всего пять рабочих элементов: шар (корпус) с окнами для нагнетания и всасывания жидкости, ротор с валом и двумя дисками, рукоятку изменения положения наклона дисков (на фото не показана). Насос может перекачивать различные жидкие среды (масло, смазки, глицерин, воду, нефть и пр.), а также работать в режиме человеческого сердца, перекачивая кровь. Объем перекачиваемой насосом жидкости пропорционален диаметру шара в третьей степени! На производстве такого типа насосы могут применяться в виде гидромашины в локомотивах, при перекачке жидких сред из больших емкостей в малые, осуществлять централизованную смазку соответствующих точек станочного оборудования и др.
Новая конструкция карданного вала вагонного генератора
Достаточно слабым местом в конструкциях ходовых частей пассажирских вагонов оказываются существующие карданные приводы. Низкая надежность таких систем связана с различными причинами, в частности, отсутствием абсолютной герметизации подвижных телескопического типа сопряжений, их обводнением, загрязнением, а также коксованием внесенной при сборке смазки. Уже после нескольких сотен (иногда тысяч) километров пробега вагона пары трения скольжения в кардане начинают работать с повышенным износом по шлицевым соединениям.
На Кировском заводе Санкт-Петербурга был изготовлен и успешно испытан карданный вал нового типа, не имеющий элементов конструкции, выполняющих роль подшипников трения скольжения. Они заменены на трение качения шариков, перекатывающихся по направляющим пазам. Кроме того, удалось полностью герметизировать смазанные подвижные сопряжения от
Рис. 4. Два левых отверстия просверлены по традиционной технологии, два правых — по новой, не требующей дополнительной зачистки поверхности от заусенцев
Рис. 5. Еще пример обработки нержавеющей стали: заусенцы в правом отверстии на выходе сверла и на плоских боковых поверхностях при работе по старой техно логии обработки; отсутствие заусенцев в левом просверленном отверстии при использовании новой технологии
Рис. 6. Еще один успешный эксперимент сквозного сверления пластины из нержавеющей стали (правое отверстие) и с заусенцами — слева при обычно применяемой технологии обработки
Рис. 7. Поверхности после фрезерования: нижняя ступень по старой технологии (с большим заусенцем), верхняя — по новой (без заусенцев)
любого возможного проникновения в зону трения пыли, грязи, абразива или воды на весь период эксплуатации. Известно также, что любая смазка, не защищенная от возможного попадания в нее инородных частиц или примесей, перестает стабильно работать в сопряжении, так как, впитав в себя грязь или абразив, значительно ухудшает условия трения, вызывая повышенный износ подвижных сопряжений.
Подвижные части кардана заключены в стандартную трубу, что не будет создавать при быстром вращении турбулентности, а внутренние элементы выполнены из стандартных профилей и деталей.
Расчеты и первые опыты/наблюдения показали, что поскольку заложенная в конструкцию смазка остается чистой, то надежность и ресурс работы такого типа карданного вала значительно возрастают (соавторы — А. А. Алексеев, Ю. В. Балесный).
Обработка деталей/заготовок без образования заусенцев
Как правило, механическая обработка деталей или заготовок на станках (фрезерных, сверлильных, токарных и пр.) приводит к появлению заусенцев. Кому не известно, что при сквозном сверлении стальной, пластмассовой или деревянной плиты на ее нижней поверхности после выхода наружу сверла появляются заусенцы? Аналогичная картина наблюдается и при фрезеровании, в частности, мягких металлов. Но даже и для твердых сталей картина оказывается безрадостная — заусенцы появляются и требуют удаления (рис. 4, 5, 6, 7). Для авиационной промышленности проверка на возможное наличие заусенцев в просверленных каналах для тока топлива или смазочных материалов занимает длительное время. В частности, используются следующие технологические операции, которые призваны обнаружить и удалить заусенцы в отверстиях при взаимно перпендикулярном для них сверлении: прочистка проволочками, прокачка масла, продувка воздухом, рентген. Оторвавшийся и оставшийся в канале отверстия заусенец — своего рода тромб, который может полностью вывести из строя дорогую систему (двигатель, самолет, ракету и др.) со всеми вытекающими последствиями.
Все приведенные прикладные технические решения дают ощутимый экономический эффект и рекомендуются к внедрению на железнодорожном транспорте и в смежных областях.
