Повышение прочности соединения «Бандаж - колесный центр»вследствие равномерного распределения объема материала бандажа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.4.027.4

А. В. Обрывалин, В. В. Дюндин

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ «БАНДАЖ - КОЛЕСНЫЙ ЦЕНТР» ВСЛЕДСТВИЕ РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА МАТЕРИАЛА БАНДАЖА

Аннотация. В статье рассмотрены основные причины ослабления посадки бандажей колесных пар локомотивов, приводящие к их провороту на колесном центре. Предложено новое конструктивно-технологическое решение, направленное на повышение прочности посадки бандажа на колесный центр. При этом рассмотрены основные варианты получения предложенного соединения. Представлены предварительные расчеты, определяющие наиболее эффективные варианты сопряжения, направленные на обеспечение равномерного натяга и повышения площади контакта при посадке бандажа на колесный центр.

Конструктивное решение, приведенное в статье, может быть использовано при совершенствовании технологии формирования колесных пар тягового подвижного состава, что в свою очередь способствует повышению надежности колесных пар локомотивов и сокращению простоя локомотивов на ремонте.

Ключевые слова: колесная пара, бандаж, колесный центр, проворот, посадка с натягом, конус.

Aleksey V. Obryvalin, Vadim V. Dyundin

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

RAISING THE BONDING STRENGTH «BANDAGE - WHEEL CENTER» DUE TO A UNIFORM DISTRIBUTION OF THE VOLUME OF THE BANDAGE MATERIAL

Abstract. In article the questions connected with cranking of bandages on the wheel center arising because of weakening of interference fit. Authors suggest to consider the possibility of use of conic interference fit instead of cylindrical. For this purpose considered possible options for manufacturing the proposed connection. Revealed of the optimum angles conjugation aimed at a uniform distribution of metal bandage volume.

Designed wheel design can be widely used in traction rolling stock. The result is reduced the duration of the repair of locomotives associated with the replacement and constriction bandages.

Keywords: wheelset, bandage, wheel center, cranking, interference fit, cone.

Повышение эксплуатационной надежности колесных пар тягового подвижного состава (ТПС) является в настоящее время актуальным направлением. От надежности колесных пар напрямую зависит безопасность как пассажирских, так и грузовых перевозок.

Одной из основных неисправностей составных колес тягового подвижного состава является проворот бандажа, возникающий вследствие ослабления натяга бандажа на колесном центре. По оценке специалистов, от 2 до 6 % всех эксплуатируемых бандажей на российских железных дорогах выходят из строя по причине ослабления их посадки на ободе колесного центра, вследствие чего локомотив вынужден находиться в длительном простое на ремонте, направленном на перетяжку и замену бандажа [1].

К основным факторам, оказывающим отрицательное влияние на прочность посадки соединения «бандаж - колесный центр», можно отнести

несоблюдение микро- и макрогеометрии при обработке посадочных поверхностей бандажа и колесного центра;

нарушение режимов тепловой посадки бандажа на колесный центр;

ударные воздействия, возникающие в эксплуатации при прохождении рельсовых стыков колесной парой;

тепловое воздействие, вызванное фрикционным торможением, которое в совокупности с другими факторами может привести к разупрочнению бандажа на колесном центре.

24 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016

—— faV 1 V

В настоящее время одним из приоритетных направлений является внедрение локомотивов нового поколения. В связи с повышением тяговых и скоростных качеств локомотива возрастают требования к колесным парам. Повышение мощности локомотивов приведет к увеличению вероятности проворота бандажей в эксплуатации. Таким образом, повышение прочности соединения бандажа с колесным центром является одной из первостепенных задач.

В последние годы существует тенденция повышения прочности посадки бандажа на колесный центр путем разработки новых конструкторско-технологических решений, направленных на изменение сопряжения посадочных поверхностей. Авторами работы [2] предложено повышение прочности соединения путем установки в колесный центр дополнительных элементов. В предложенной авторами конструкции силами сжатия упругих элементов вставок создаются зоны сопряжения, обеспечивающие дополнительное сопротивление к прово-роту бандажа. Повышение прочности соединения достигается тем, что сила сжатия упругих элементов, установленных в пазах колесного центра, превышает посадочное давление при посадке с натягом бандажа на колесный центр.

Целью данной работы является предложение решения по повышению прочности соединения «бандаж - колесный центр» путем изменения профиля сопряжения без установки дополнительных элементов. Такой подход обоснован тем, что установка дополнительных элементов или промежуточных материалов в соединении приведет не только к усложнению конструкции, что повлияет на стоимость изготовления и ремонта, но и существенно усложнит его дальнейшие обслуживание и контроль.

Авторами предлагается новое конструктивное исполнение колеса тягового подвижного состава, в котором сборка соединения «бандаж - колесный центр» осуществляется по коническому сопряжению без увеличения регламентированного натяга. Эскиз предлагаемой посадки бандажа на колесный центр приведен на рисунке 1.

Повышение прочности предложенного соединения достигается путем придания сопряженным поверхностям бандажа и колесного центра конической формы. Такое конструктивное изменение посадки направлено на повышение точности сборки и выравнивание объема металла по поперечному сечению.

Для составных колес ТПС можно выделить три основных способа получения конической посадки. В качестве примера рассмотрен бандаж составного колеса тепловоза, имеющего по кругу катания диаметр 1050 мм. Для сравнения на рисунке 2, а представлен стандартный вариант цилиндрической посадки с натягом бандажа на колесный центр.

Первый способ посадки бандажа возможен при увеличении диаметра колесного центра и уменьшении толщины бандажа. Рассматриваемый вариант, приведенный на рисунке 2, б, по предварительной оценке нецелесообразен, так как приведет к значительному сокращению эксплуатационного ресурса бандажа.

Второй способ, приведенный на рисунке 2, в, возможен при незначительном изменении объема материала бандажа и колесного центра, при этом объем металла бандажа равномерно распределяется в поперечном сечении.

Третий способ, приведенный на рисунке 2, г, возможен за счет уменьшения колесного центра и увеличения толщины бандажа. Рассматриваемый вариант по предварительной

№ 4(28) ^^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 25

Ц2016 — — Ш Я ^^ т^Я ^^т ^^ Я Ш Я я ■ ■ ■ Ш ш ш

Рисунок 1 - Соединение бандажа с колесным центром по коническому сопряжению: 1 - бандаж; 2 - колесный центр; 3 - бандажное кольцо

оценке, как и первый, нецелесообразен, так как приведет к уменьшению колесного центра, что способствует снижению надежности колесной пары.

а 5 б г

Рисунок 2 - Варианты посадки бандажа на колесный центр

Для предложенных вариантов посадки бандажа на колесный центр проведены расчеты площади контакта сопряженных поверхностей £ в зависимости от угла сопряжения а. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчетов площади контакта бандажа с колесным центром

Номинальная площадь контакта сопряжения «бандаж - колесный центр» £*102, мм2

Угол соп- первый спо- увеличение второй спо- увеличение третий спо- увеличение

ряжения а, ° соб (£1) площади соб (£2) площади соб (£3) площади

контакта, % контакта, % контакта, %

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3026,202 3040,622 3058,819 3080,905 3107,017 3137,322 3172,013 3211,321 3255,510 3304,888 0,48 1,08 1,81 2,67 3,67 4,82 6,12 7,58 9,21 3026,202 3028,047 3033,592 3042,871 3055,942 3072,886 3093,809 3118,845 3148,156 3181,937 0,06 0,24 0,55 0,98 1,54 2,23 3,06 4,03 5,15 3026,202 3015,472 3008,365 3004,838 3004,867 3008,450 3015,605 3026,369 3040,803 3058,986 -0,35 -0,59 -0,71 -0,71 -0,59 -0,35 0,01 0,48 1,08

По полученным расчетам построена зависимость, изображенная на рисунке 3, площади контакта от угла сопряжения соединения «бандаж - колесный центр» для трех вариантов посадки.

Анализируя полученные данные, можно заключить, что наиболее оптимальным вариантом конической посадки соединения «бандаж - колесный центр» является способ, показанный на рисунке 2, в. Сравнение второго варианта сопряжения со стандартной цилиндрической посадкой дает основание утверждать, что объем материала колесного центра и бандажа существенно не изменится и это не повлияет на эксплуатационную надежность конструкции в целом.

Прочность цилиндрических и конических соединений с натягом в осевом и окружном направлениях ориентировочно оценивают по формулам [3]:

^ = т^/р (/ос ± tga); (1)

26 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016

—— 1 V

мккр = nd2lpfр /2,

кр

(2)

где с1 - посадочный диаметр соединения, мм; I - длина посадочной поверхности, мм; р - удельное давление на поверхности посадки, МПа; /кр, /оС- коэффициенты трения при кручении и осевом сдвиге;

а - угол уклона конуса, град.

Рисунок 3 - График зависимости площади контакта соединения от угла сопряжения

Из зависимостей (1) и (2) следует, что прочность посадки зависит от контактного давления, эффективной площади сопряжения и коэффициента трения.

Известно, что сборка бандажа с колесным центром осуществляется посредством тепловой посадки с натягом. Тепловую посадку осуществляют при нагреве бандажей до температуры 250 - 300 °С [4]. Режим нагрева для металлов устанавливается в зависимости от свойств нагреваемой стали, размеров и формы деталей. Неравномерное нагревание и охлаждение бандажа при выполнении операции насадки бандажа на колесный центр способствует неравномерному прилеганию сопряженных поверхностей. При проведении экспериментальных исследований в ряде колесных цехов депо и локомотиворемонтных заводов было выявлено, что на отдельных колесных парах площадь прилегания достигала 30 - 45 % и редко доходила до 90 % [5]. Уменьшение площади фактического контакта посадочных поверхностей может быть обусловлено не только геометрическими погрешностями, но и неравномерным

распределением удельного давления при тепловой посадке вследствие криволинейного профиля бандажей.

Как уже было указано, новое конструктивное изменение посадки направлено на выравнивание объема металла по поперечному сечению, что будет способствовать равномерному деформированию металла бандажа и увеличит плотность и качество посадки.

Для определения угла сопряжения а, при котором достигается выравнивание объема материала в поперечном направлении, было произведено разбиение бандажа по сегментам N (рисунок 4).

№ 4(28) 2016

¡ИЗВЕСТИЯ Транссиба

27

Расчет объемов произведен для углов сопряжения бандажа с колесным центром от 0 до 18 Расчет углов, превышающих заданный диапазон, считается нецелесообразным, так как приводит к существенному сокращению толщины бандажа со стороны гребня. Результаты расчетов объемов металла по сегментам в зависимости от угла сопряжения приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчет объемов металла по сегментам

Объем металла по сегменту К*103, мм3

Сегмент N а = 0° а = 2° а = 4° а = 6° а = 8° а = 10° а = 12° а = 14° а = 16° а = 18°

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3930,59 3719,84 3813,63 3869,27 3902,29 3935,37 3969,58 4344,51 5127,47 4994,34 4002,91 3784,66 3859,16 3895,49 3909,18 3922,90 3937,74 4293.27 5057.28 4919,44 4075,10 3849,39 3904,69 3921,74 3916,08 3910,39 3905,76 4241,76 4986,64 4844,05 4147,34 3914,20 3950,32 3948,07 3923,01 3897,81 3873,56 4189,84 4915,38 4767,98 4219,79 3979,25 3996,17 3974,56 3929,99 3885,13 3841,07 4137,39 4843,31 4691,04 4292,63 4044,69 4042,34 4001,26 3937,03 3872,31 3808,20 4084,26 4770,25 4613,01 4366,05 4110.68 4088,96 4028,26 3944,16 3859,32 3774,85 4030,32 4695,99 4533.69 4440,23 4177,40 4136,15 4055,61 3951,38 3846,13 3740,95 3975,40 4620,32 4452,85 4515,36 4245,01 4184,03 4083,39 3958,73 3832,69 3706,38 3919,36 4543,01 4370,23 4591,65 4313,72 4232,74 4111,70 3966,22 3818,96 3671,04 3862,00 4463,81 4285,58

По полученным данным построена зависимость распределения объема металла от угла сопряжения по сегментам бандажа (рисунок 5).

5000.00

/ / / / /V _ '//л

....... " _ У '/Ф

----""

Угол сопряжения а:

---О;

— ---10:

— ■ ■ - 14:

Сегмент бандщка N

Рисунок 5 - График зависимости распределения объема металла по сегментам бандажа

Анализируя график зависимости, приведенный на рисунке 5, можно сделать вывод о том, что выравнивание объема материала бандажа достигается уже при углах сопряжения а = 6 - 8 °. Следовательно, выравнивание объема материала бандажа может способствовать повышению плотности посадки бандажа на колесный центр. Это предположение авторов требует экспериментальной проверки.

Таким образом, проводя дополнительно теоретические и экспериментальные исследования, направленные на возможность применения конического сопряжения при посадке бандажа на колесный центр, можно подтвердить существенное повышение прочности предложенного соединения, что в свою очередь способствует повышению надежности колесных пар тягового подвижного состава.

На основании выполненных расчетов будет проводиться дальнейшее теоретическое исследование, направленное на оценку прочности предложенного соединения с учетом динамических нагрузок, возникающих в эксплуатации.

28 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016

—— 1 V

Список литературы

1. Буйносов, А. П. Методы повышения ресурса колесных пар тягового подвижного состава: Монография [Текст] / А. П. Буйносов / УМЦ ЖДТ. - М., 2010. - 224 с.

2. Бородин, А. В. Повышение несущей способности соединения колесный центр-бандаж [Текст] / А. В. Бородин, Л. В. Ярышева // Локомотив. - 2015. - № 6. - С. 39 - 41.

3. Гречищев, Е. С. Соединения с натягом: Расчеты, проектирование, изготовление [Текст] / Е. С. Гречищев, А. А. Ильяшенко. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

4. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм с изменениями и дополнениями, утвержденными указанием МПС России от 23.08.2000 - № К-2273у: ЦТ/329. - М.: Транспорт, 2000. - 78 с.

5. Сашко, А. А. Отчего повреждаются бандажи [Текст] / А. А. Сашко // Локомотив. -2005. - № 10. - С. 36, 37.

References

1. Buinosov A. P. Metody povysheniia resursa kolesnykh par tiagovogo podvizhnogo sostava (Methods of increasing the resource of wheel pairs locomotives). Moscow, 2010, 224 p.

2. Borodin A. V., Iarysheva L. V. Increasing the carrier compound to the center of the wheel-bandage [Povyshenie nesushchei sposobnosti soedineniia kolesnyi tsentr-bandazh]. Lokomotiv -Locomotive, 2015, no. 6, pp. 39 - 41.

3. Grechishchev E. S., Ilyashenko A. A. Soedineniia s natiagom: Raschety, proektirovanie, izgotovlenie (Compounds with interference: Calculation, design, manufacture). Moscow: Mashi-nostroenie, 1981, 247 p.

4. Instruktsiia po formirovaniiu, remontu i soderzhaniiu kolesnykh par tiagovogo podvizhnogo sostava zheleznykh dorog kolei 1520 mm (Instructions for the formation and repair of wheel pairs locomotives railways of 1520 mm), Moscow, Ministry of Transport of the Russian Federation, 2000, 78 р.

5. Sashko A. А. Why damaged bandages [Otchego povrezhdaiutsia bandazhi]. Lokomotiv -Locomotive, 2005, no. 10, pp. 36, 37.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Обрывалин Алексей Викторович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-11.

Дюндин Вадим Владимирович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-11.

E-mail: [email protected]

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Obryvalin Aleksey Viktorovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Technology of transport mechanical engineering and repair of a rolling stock», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-11.

Dyundin Vadim Vladimirovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Graduate student of the department «Technology of transport mechanical engineering and repair of a rolling stock », OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-18-11. E-mail: [email protected]

№,n4!68) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Обрывалин, А. В. Повышение прочности соединения «бандаж - колесный центр» вследствие равномерного распределения объема материала бандажа [Текст] / А. В. Обрывалин, В. В. Дюндин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2016. - № 4 (28). - С. 24 - 30.

Obryvalin A. V., Dyundin V. V. Raising the bonding strength bandage - wheel center due to a uniform distribution of the volume of the bandage material. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 28, no. 4, pp. 24 - 30. (In Russian).

УДК 629.424.3

К. А. Рябко, Е. В. Рябко

Донецкий институт железнодорожного транспорта (ДонИЖТ), г. Донецк, Украина

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Аннотация. Долговечность крышек цилиндров тепловозных дизелей оказывает существенное влияние на эффективность функционирования силовой установки тепловоза.

Актуальным направлением является изыскание резервов повышения долговечности цилиндропоршневой группы дизелей тепловозов.

В статье обобщена совокупность факторов, влияющих на долговечность цилиндровых крышек тепловозного дизеля, выделены их основные группы и подгруппы. В предложенной классификации преобладают субъективные факторы, которые зависят непосредственно от деятельности человека. Снизить влияние субъективных факторов можно посредством уменьшения ошибочных решений человеческой деятельности при эксплуатации и ремонте тепловозов.

Рассмотрены мероприятия, совершенствующие работу дизеля тепловоза и положительно влияющие на показатели надежности крышек цилиндров. Предложены простые в реализации и экономически целесообразные способы продления ресурса службы цилиндропоршневой группы.

Для уменьшения температурного перепада в зимнее время года между дизелем тепловоза после его остановки и окружающей средой предложена установка теплоизоляционного экрана, что позволит снизить перепад температур от дизеля в окружающую среду и, как следствие, повысит долговечность цилиндропоршневой группы в процессе эксплуатации.

Наиболее перспективным способом продления ресурса крышек цилиндров тепловозных дизелей является усовершенствование гидродинамических параметров в полостях охлаждения. Для обеспечения необходимой циркуляции охлаждающей жидкости с учетом режимов нагрузки предлагается установить в водяную систему дополнительный насос с электрическим приводом.

Ключевые слова: тепловозный дизель, крышка цилиндра, эксплуатация, совокупность факторов, долговечность, градиент температур, система охлаждения, модернизация.

Konstantin A. Ryabko, Evgeniya V. Ryabko

Donetsk institute of railway transport (DIRT), Donetsk, Ukraine

THE INCREASE OF THE DIESEL LOCOMOTIVE ENGINES CYLINDER HEADS DURABILITY

Abstract. The technical condition of the cylinder-piston group has significant effect on the reliable operation of the diesel locomotive engines. The most susceptible to the premature failure is the head of cylinders. It is caused by the heat release rate of the combustion chamber detail.

The increase of the diesel locomotive engines cylinder heads durability in operation causes the relevance of the researches.

In the article the set of the factors influencing on the diesel locomotive engine cylinder heads durability is defined, their main groups and subgroups are found. In the offered classification the subjective factors which directly depend on the human activity are dominated. It is possible to reduce the influence of the subjective factors by means of the human activity wrong solutions reduction while operating and repairing locomotives.

The measures that improve diesel locomotive engine operation and positively affect the reliability of the cylinder heads are considered. Simple in implementation methods to extend the service life of the cylinder-piston group are of-

30ИЗВЕСТИЯ Транссиба №204(268)