Построение опоры комбинированного нагружения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.822.6

А. В. Бородин, Ю. А. Иванова

ПОСТРОЕНИЕ ОПОРЫ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРУЖЕНИЯ

Характерным примером опорного узла, находящегося под воздействием комбинированной нагрузки, является букса грузового вагона, в которой нагрузку воспринимают два радиальных роликоподшипника с короткими цилиндрическими роликами или двухрядный конический роликоподшипник [1].

Радиальная составляющая комбинированной нагрузки на подшипники представляет собой статическую и динамическую нагрузку от веса тары вагона и перевозимого груза. Горизонтальная продольная составляющая нагрузки также является для подшипников радиальной и возникает от усилий тяги-торможения, а также вследствие соударений вагонов при маневровых работах. Горизонтальная поперечная составляющая нагрузки действует на подшипники при извилистом движении по прямым участкам пути, а наибольшие значения принимает при движении по кривым малого радиуса. Эта нагрузка воспринимается у цилиндрических подшипников торцами роликов и бортами колец, а у конических - частично дорожкой качения и образующей ролика, частично -торцами роликов и бортами колец в условиях трения скольжения при недостаточной смазке.

При относительно невысоких скоростях движения поезда подшипники воспринимают горизонтальную поперечную нагрузку удовлетворительно. Однако с повышением скорости негативные последствия от воздействия горизонтальной поперечной нагрузки приводят к резкому сокращению ресурса подшипников. Среди негативных последствий воздействия такой нагрузки на подшипники можно выделить следующие (аналогичные как для цилиндрических, так и для конических подшипников): задиры и риски на торцах роликов и бортах колец, отколы бортов, опрокидывание тел качения с последующим неравномерным распределением давления вдоль образующей, повышенный нагрев в местах трения, приводящий к необходимости отцепки колесной пары. Кроме того, у конических подшипников, имеющих малый осевой зазор, возможен полный выбор этого зазора вследствие температурного расширения трущихся деталей и заклинивание подшипника.

Перечисленные причины ухудшения условий работы подшипников обусловливают актуальность построения такой схемы опоры комбинированного нагружения, при которой исключалось бы воздействие на подшипники горизонтальной поперечной нагрузки. Для достижения этой цели предлагается опора (рис. 1), состоящая из роликоподшипников 2 для восприятия радиальной нагрузки Рг и самоустанавливающегося шарового подпятника 4 для восприятия горизонтальной поперечной нагрузки Ра, представляющего собой шар, размещенный между двумя опорами [2]. Минимальным контактным напряжениям в подпятнике соответствуют вогнутые сферические поверхности с радиусом, превышающим радиус шара на 1-2 % [3].

Отсутствие горизонтальной поперечной нагрузки на подшипник позволяет применять

Рис. 1. Схема комбинированной опоры с раздельным восприятием составляющих нагрузки:

1 - корпус, 2 - цилиндрический роликовый подшипник, 3 - ось, 4 - шаровый подпятник, 5 - прижимной упор

цилиндрические роликовые подшипники с безбортовыми кольцами, которые можно изготовить с высокой точностью и высоким качеством поверхностей качения [4].

При эксплуатации комбинированной опоры, состоящей из шарового подпятника и подшипникового узла целесообразно обеспечить их равный ресурс:

ЧоН =Ттах> (1)

где ¡-10Ь — расчетный ресурс буксового подшипника, ч; Ттах — срок службы шарового подпятника, ч.

Ресурс подшипника ¡-10Ь определяется по формуле:

, 10 6Чо

Чоь = (2)

60п

где £10 — базовый ресурс подшипника, млн об., п — частота вращения внутреннего кольца подшипника при средней скорости движения поезда, об/мин [5].

Срок службы шарового подпятника буксы грузового вагона Ттах представляет собой время работы до достижения предельного значения линейного износа его деталей итах в горизонтальном направлении. При введении в буксу шарового подпятника с сохранением двух типовых цилиндрических подшипников предельное значение износа определяется из следующего условия: зазор в нерабочем положении шарового подпятника Бп, мкм не должен превышать осевого зазора в буксе 5СТ, мкм, то есть должно выполняться условие:

итах < 5о - ^, (3)

В противном случае шаровый подпятник перестанет выполнять свою основную функцию: воспринимать горизонтальную поперечную нагрузку. Начальный осевой зазор в нерабочем положении разработанной конструкции шарового подпятника при монтаже определяется толщиной регулировочной шайбы.

Износ деталей шарового подпятника представляет собой суммарный линейный износ сопряжений «пята - шар» и «шар - опора» в горизонтальном направлении:

итах = ип-ш + иш-0 . (4)

Расчет скоростей изнашивания сопряжений «пята - шар» ип-ш, мкм/ч, и «шар-опора» иш-0 , мкм/ч, производится на основе инженерного расчета износа шаровых поверхностей [6]. При линейной зависимости между временем изнашивания t, ч, и величиной износа и, мкм, скорость изнашивания у, мкм/ч, определяется как:

и

Y = (5)

t

Линейная интенсивность изнашивания I (безразмерная величина) равна отношению:

и

I = -, (6)

I

где £ — путь трения.

С другой стороны, в соответствии с усталостной теорией износа линейная интенсивность изнашивания I приработанных поверхностей пропорциональна давлению р на поверхностях трения:

I = кр, (7)

где р — давление, распределенное по поверхности трения; к — коэффициент износа, показывающий величину линейного износа, тогда:

и

- = кр, (8)

I

и = кр1. (9)

При делении обеих частей выражения (9) на время работы сопряжения оно принимает вид:

Y = kpv, (10)

где v — скорость относительного скольжения в данной точке поверхности, которая определяется по формуле:

v = шр = wRsin a (11)

Согласно инженерному расчету скорость изнашивания сопряжения шаровых поверхностей 1 и 2 определяется как:

v?_2 = k + k2 a, (12)

откуда давление p, распределенное по поверхности трения:

p =-^-ctg a. (13)

k +

Зависимость между горизонтальной поперечной силой Fa и давлением p, распределенным по поверхности трения площадью S:

nRV; 0 (2a - 2a + sin 2a - sin 2a) Fa =-—-1-2-1-—, (14)

2ш(fy + k2)

откуда скорость изнашивания сопряжения шаровых поверхностей 1 и 2:

2Faw(k1 + k2)

Y1-2 =-a 1 2-. (15)

nR(2a - 2a+sin 2a - sin 2a)

По формуле (15) для разработанной конструкции шарового подпятника рассчитываются скорости изнашивания сопряжений «пята - шар» Yn-w, мкм/ч и «шар-опора» Yw-0, мкм/ч.

Поскольку конструкция шарового подпятника позволяет постоянный проворот шара (жесткие направляющие отсутствуют), скорость изнашивания снижается пропорционально отношению полной площади поверхности шара к сумме площадей приработанных сопряжений «пята - шар» и «шар-опора» ks. Тогда суммарная скорость линейного изнашивания деталей шарового подпятника в горизонтальном направлении:

„ Yn -ш + Y ш-0 ^

Vn =-;-. (16)

ks

При рассчитанной скорости изнашивания сопряжений подпятника Yn максимальный суммарный износ сопряжений подпятника Umax, мкм, при обеспечении равной долговечности подшипников и шарового подпятника не должен превышать:

Umax = Tmax ' Vn. (17)

Таким образом, построение опоры комбинированного нагружения с шаровым подпятником существенно улучшает ее работоспособность и способствует повышению ресурса более чем на 15 %. Предложенная методика расчета ресурса элементов комбинированной опоры позволяет обеспечить их равную долговечность.

Библиографический список

1. Сергеев, К. А. Повышение работоспособности буксового узла с кассетным подшипником / К. А. Сергеев, А. Н. Францев // Железнодорожный транспорт. - 2008. - № 7. - С. 58-62.

2. Пат. 65007 Российская Федерация, МПК В 61 F 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником и шаровым подпятником / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, Г. П. Здор.; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. - № 2007103839; заявл. 31.01.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. - 2 с.

3. Орлов, П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие: В 2-х кн. / П. И. Орлов; под ред. П. Н. Усачева. - М.: Машиностроение, 1988. - Кн. 2. - 544 с.

4. Пат. 65008 Российская Федерация, МПК В 61 F 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. - №2007112328; заявл. 02.04.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. - 2 с.

5. Перель, Л. Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник [Текст] / Л. Я. Перель, А. А. Филатов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 608 с.

6. Справочник по триботехнике: В 3-х т. / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1989. - Т. 1. Теоретические основы. - 400 с.

© А.В. Бородин, Ю.А. Иванова, 2009

Бородин Анатолий Васильевич - доктор технических наук, профес сор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин» Ом ского государственного университета путей сообщения.

Иванова Юлия Алексеевна - аспирантка кафедры «Теория механиз мов и детали машин» Омского государственного университета путей со общения».

Дата поступления статьи в редакцию: 26.01.2009 г.

УДК 656.254

А. А. Рауба, А. Ю. Попов, Д. В. Муравьев

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ РЕМОНТЕ ДЕТАЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Возрастающие потребности железнодорожного транспорта в высококачественных многогранных твердосплавных пластинах повышают стоимость инструмента. Мировые цены на эти пластины - в пределах 20-70 долл. США за штуку. Эта ситуация требует принятия срочных мер по снижению расхода пластин за счет повышения эффективности использования твердого сплава в ремонтных депо. Наиболее радикальный способ - производство из изношенных при обработке колесных пар пластин специальных режущих вставок для обточки колесных пар, а также при изготовлении специального сборного твердосплавного инструмента для механической обработки при ремонте других деталей подвижного состава, восстановленных наплавкой.

Для дальнейшего повышения экономических и эксплуатационных показателей работы железных дорог необходимо повышать надежность подвижного состава и сокращать расходы на поддержание его в работоспособном состоянии. Существенную долю затрат в ремонтном производстве при восстановлении изношенных деталей и изготовлении запасных частей составляют расходы на металлообработку и, в частности, на режущий инструмент. При сравнительно незначительном объеме металлообработки эти расходы сопоставимы с машиностроительным производством. В вагонных и локомотивных депо, как правило, эксплуатируется устаревшее и изношенное станочное оборудование либо давно отработавшее свой ресурс. Поэтому возникают дополнительные технологические трудности в обеспечении заданного качества и производительности механической обработки, ведущие к повышению трудоемкости и себестоимости. Не решаются проблемы с инструментальным обеспечением, низкий уровень эксплуатации лезвийного и абразивного инструмента. В итоге себестоимость механической обработки при ремонте подвижного состава в несколько раз выше, а производительность и качество ее ниже, чем в машиностроении. Таким образом, проблеме механической обработки на железнодорожном транспорте не уделяется должного внимания.

По данным ремонтных депо западно-сибирской железной дороги 95 % всего металлорежущего инструмента является твердосплавным. Для обработки деталей при ремонте подвижного состава используются дорогие и дефицитные вольфрамокобаль-товые и вольфрамотитанокобальтовые твердые сплавы. Конкретной отчетности по их