CC BY
81
DOI 10.26731/1813-9108.2020.1(65)31-42 УДК 629.423.1
Проблемы кожухов зубчатой передачи электровозов: отказы, нагруженность, виброзащита
В. В. Москвичев^, Е. А. Чабан2, А. Г.Андриевский2
1 Институт вычислительных технологий Сибирское отделение Российской академии наук, г. Красноярск, Российская Федерация
2 Красноярский институт железнодорожного транспорта, филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, Российская Федерация
И krasn@ict.nsc.ru
Резюме
В статье рассматривается проблема низких эксплуатационных показателей кожухов зубчатой передачи грузовых электровозов в условиях Восточного полигона, показана динамика возникновения отказов кожухов зубчатой передачи в течение года, при этом отмечена имеющаяся сезонность изменения условий эксплуатации, приводящая к высоким нагрузкам в относительно короткий период времени. Анализируется причинно-следственный комплекс отказов кожухов по данным эксплуатации, показаны закономерности динамического нагружения кожуха зубчатой передачи в зависимости от скорости электровоза и длины неровности пути. Приводится сравнение диапазона собственных частот кожуха с частотами возмущающих воздействий, отмечается возможность их совпадения, а также возникновение условий резонанса. Обозначена проблема влияния крутильных колебаний остова тягового двигателя как источника дополнительного динамического нагружения кожуха зубчатой передачи. Величина жесткости крепления кожуха к тяговому двигателю существенно зависит от момента затяжки болтов крепления. При их ослаблении или несоблюдении технологии затяжки, может изменяться диапазон собственных частот колебательной системы кожуха, при этом также возможно возникновение резонансных явлений. В работе приводится амплитудно-частотная характеристика крутильных колебаний остова тягового двигателя и рассматриваются динамические моменты, которые возникают на кожухе зубчатой передачи при крутильных колебаниях тягового двигателя. Для снижения уровня динамических нагрузок на кожух зубчатой передачи, способствующих возникновению отказов, предложена конструкция кожуха с амортизирующим креплением к тяговому двигателю, обеспечивающая повышенную виброзащиту системы.
Ключевые слова
кожух зубчатой передачи, тяговая передача, элементы тягового привода, колесно-моторный блок, нагружение деталей привода, динамика тягового привода, собственные колебания, амплитудно-частотная характеристика
Для цитирования
Москвичев В. В. Проблемы кожухов зубчатой передачи электровозов: отказы, нагруженность, виброзащита / В. В. Москвичев, Е. А. Чабан, А. Г. Андриевский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2020. -Т. 65 № 1. - С. 31-42. - DOI: 10.26731/1813-9108.2020.1(65).31-42
Информация о статье
поступила в редакцию: 20.10.2019, поступила после рецензирования: 17.11.2019, принята к публикации: 22.12.2019
Problems of gear casing of electric locomotives: failures, loading, vibration insulation
V. V. Moskvkhev1^, E. A. Chaban2, A. G. Andrievskii2
1 Institute of Computational Technologies, the Siberian branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, the Russian Federation
2 Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, the Russian Federation
И krasn@ict.nsc.ru
Abstract
The article discusses the problem of low performance indicators of gear casings of freight electric locomotives under the conditions of the Eastern polygon. It shows the dynamics in the occurrence of the gear casing failures during a year, while indicating the existing seasonality of changes in operating conditions, that leads to high loads in a relatively short period of time. The authors analyze a cause-and-effect set of casing failures according to the operation data and show the patterns of dynamic loading of the gear casing depending on the speed of the electric locomotive and the track roughness length. The paper provides a comparison between the range of natural frequencies of the casing and the frequencies of disturbing influences, from which it can be noted that their coincidence is possible, and, therefore, the casing of the gear transmission can absorb the loads that occur during resonance. The problem of the influence of torsional vibrations of the frame of the traction motor as a source of additional dy-
namic loading of the gear housing is indicated. The stiffness of mounting the casing to the traction motor substantially depends on the moment of bolt tightening. Thus, it is shown that when loosening the fastening bolts or not following the technology of their tightening, the natural frequency range of the casing oscillatory system can change, in which resonance phenomena can occur. The paper outlines the amplitude-frequency characteristic of torsional vibrations of the traction motor frame, as well as the dynamic moments that occur on the gear casing during torsional vibrations of the traction motor. To reduce the level of dynamic loads on the gear casing, contributing to the occurrence of failures, a casing design with shock absorbing fastening to the traction motor is proposed, providing a high protection system.
Keywords
gear casing, traction drive, traction drive elements, wheel-motor block, loading of drive parts, traction drive dynamics, natural oscillations, amplitude-frequency characteristic
For citation
Moskvichev V. V., Chaban E. A., Andrievsky A. G. Problemy kozhukhov zubchatoi peredachi elektrovozov: otkazy, nagruzhen-nost', vibrozashchita [Problems of gear casing of electric locomotives: failures, loading, vibration insulation]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2020, Vol. 65, No. 1, pp. 3142. 10.26731/1813-9108.2020.1(65).31-42
Article info
Received: 20.10.2019, Revised: 17.11.2019, Accepted: 22.12.2019 Введение
Проблеме повышения эксплуатационных показателей кожухов зубчатой передачи (КЗП) в практике отечественного электровозостроения уделялось недостаточно внимания. Основные усилия сосредоточились на решении задачи обеспечения герметичности уплотнений по линии прилегания разъемных частей КЗП, отверстий под ось колесной пары и вал якоря тягового двигателя. При выпуске новой серии электровозов по отношению к этой сборочной единице широко использовался принцип конструкторской преемственности. На каком-то этапе это было оправдано, однако стремление к наиболее интенсивному использованию электровозов и изменившиеся условия эксплуатации привели к резкому росту количества отказов КЗП, что неприемлемо на современном этапе развития железнодорожной отрасли.
Каждая разъемная часть КЗП является сварной корпусной конструкцией (рис. 1), которая, как правило, изготовлена из низколегированной конструкционной стали, характеризующейся хорошей свариваемостью, например, марок Ст.Зсп или 09Г2С.
Рекомендуемый момент затяжки болтов находится в пределах от 0,9 до 1 кН-м. Такая система крепления КЗП имеет существенный недостаток, связанный с возможным ослаблением затяжки болтов крепления, провисанием кожуха на болтах и возникновением в болтовых соединениях срезывающих усилий, поэтому, несмотря на широкое распространение данного конструктивного решения, его нельзя признать технически совершенным. Тем не менее конструкция КЗП не претерпела принципиальных изменений с 1932 года, с начала производства первых отечественных грузовых электровозов серии ВЛ19 [2].
б
Рис. 1. Кожух зубчатой передачи электровозов серии ВЛ80 (а) и электровозов серии 2(3)ЭС5К (б): 1 - верхняя разъемная часть; 2 - нижняя разъемная часть; 3 - бобышка; 4 - кронштейн кожуха; 5 - скоба Fig. 1. The gear casing of electric locomotives VL80 (a) and electric locomotives of series 2 (3) ES5K (b): 1 - upper detachable part; 2 - lower detachable part; 3 - boss; 4 - casing supporting bracket; 5 - buckle
Наиболее нагруженной при консольном креплении кожуха является стенка со стороны крепления, толщина листа которой составляет 6 мм, толщина листа стенки с противоположной стороны - 4 мм. Для придания дополнительной жесткости и усиления конструкции на стенках кожуха предусмотрены накладки. Вес КЗП, который составляет порядка 1,5 кН, передается вместе с весом двигателя на ось колесной пары и раму тележки через моторно-осевые подшипники и подвеску двигателя соответственно. Таким образом, КЗП через точки крепления на остове двигателя и подшипниковом щите воспринимает динамические нагрузки, возникающие при прохождении колесной парой неровностей пути.
Причинно-следственный комплекс отказов по данным эксплуатации
КЗП, являясь элементом тягового привода электровоза, согласно нормам [3] должен изготавливаться с запасом прочности по пределу выносливости [п] = 2. Однако несмотря на это в условиях эксплуатации Восточного полигона на электровозах Красноярской дирекции тяги в зимне-весенний период времени наблюдается большое количество их отказов. Интенсивный рост отказов начинается с ноября и достигает своего пика в марте, после чего количество отказов снижается, а в летний период времени отказы наблюдаются в единичных случаях (рис. 2).
\ . ,201 i год
f \
/ V \
I ! \\
r \ 20 14 го Д
h У 20 16 го д
s /
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Месяцы года: январь - декабрь Рис. 2. Распределение отказов кожухов зубчатой передачи электровозов Красноярской дирекции тяги Fig. 2. Distribution of gear casing failures of electric locomotives of the Krasnoyarsk Traction Directorate
Отмечается массовый выход из строя КЗП грузовых электровозов Западно-Сибирской железной дороги в зимний период эксплуатации [4], при этом приводятся экспериментальные данные об увеличении вертикальных ускорений, действующих на КЗП, в 3-4 раза в зимний период времени по сравнению с летним. Необходимо отметить, что наблюдаются случаи разрушения кожуха в пути следования с падением его фрагментов на путь, что непосредственно является угрозой в обеспечении безопасности движения поездов.
Особенностями эксплуатации электровозов в зимне-весенний период, приводящих к повышенному уровню отказов, является:
- наличие намерзшего снега внутри рельсовой колеи, приводящее к нарушению габарита приближения строений;
- повышенная вертикальная, горизонтальная и продольная жесткость рельсового пути по сравнению с летним периодом эксплуатации;
- влияние низкотемпературного фактора на характеристики механических свойств, ударную вязкость и трещиностойкость стали;
- развитие сезонных деформаций пути, например, пучин, вызывающих дополнительные динамические нагрузки;
- увеличение протяженности участков пути с волнообразным износом рельсов;
- рост количества мест вынужденного восстановления рельсового пути так, что при прохождении стыков колесной парой возникают удары одиночного или многократного действия;
- увеличение жесткости резинометаллических элементов колесно-моторного блока.
Несмотря на то, что электровоз 2(3)ЭС5К поступил в эксплуатацию относительно недавно и выпускается в настоящее время, для него проблема надежности КЗП также остается актуальной. Более 60 % отказов механической части электровоза приходится на КЗП, а приведенные данные о повреждениях КЗП показывают, что самой распространенной причиной выхода его из строя являются трещины в стальных листах сварной конструкции [5]. Ниже приведена гистограмма распределения отказов КЗП электровозов 2(3)ЭС5К приписки дирекции тяги Восточно-Сибирской железной дороги в зависимости от пробега электровозов с момента постройки (см. рис. 3).
Пробег, км
Рис. 3. Гистограмма распределения повреждений кожухов зубчатой передачи электровозов 2(3)ЭС5К дирекции тяги Восточно-Сибирской железной дороги от пробега с момента постройки Fig. 3. Histogram of the distribution of damage to the gear casings of electric locomotives 2 (3) ES5K of the traction directorate of the East Siberian Railway based on the run since the construction
Очевидно, что случаи повреждений КЗП имеются при незначительных пробегах электровоза от 5
104 км, однако их резкий рост наблюдается после 3
105 км пробега.
Наиболее часто встречающиеся повреждения КЗП:
- обрыв полукольца по сварному шву большой или малой горловины;
- излом скобы крепления кожуха;
- срыв бобышки по сварному шву;
- трещины в боковине нижней или верхней разъемной части кожуха;
- трещины желоба кожуха;
- трещины или обрыв кронштейна крепления кожуха к подшипниковому щиту тягового двигателя (рис. 4).
При этом необходимо отметить, что трещины возникают как по сварным швам, так и непосредственно в деталях сварной конструкции кожуха. Кроме этого, в креплении кожуха к тяговому двигателю наблюдаются следующие неисправности:
- срыв резьбы в бобышках;
- срыв резьбы болтов М30 и М42;
- ослабление затяжки болтов М30 и М42;
- излом болтов М30 и М42;
- излом кронштейнов тягового двигателя;
- увеличение диаметра отверстия под болт кронштейнов тягового двигателя.
Механические повреждения КЗП часто возникают при отсутствии следов удара, т. е. внешнего воздействия, что свидетельствует о несовершенстве его конструкции [6].
Рис. 4. Примеры повреждений кожухов зубчатой передачи:
а - разрушение нижней разъемной части в пути следования; б - излом кронштейна крепления; в - трещина в стенке нижней половины; г - излом болта крепления Fig. 4. Examples of gear casing damage: a - destruction of the lower detachable part throughout the journey; b - breakage of the mounting bracket; c - a crack in the wall of the lower half; d - fracture of the mounting bolt
Основные причины выхода из строя КЗП можно разделить на две группы:
- повреждение элементов крепления (отсутствие и излом болтов, а также повреждение резьбы болтов и бобышки);
- повреждение непосредственно сварной конструкции кожуха (трещины и его разрушение, а также излом кронштейнов) (рис. 5).
Необходимо отметить, что если трещина обнаружена, то проводимый ремонт КЗП дает лишь временный эффект, через некоторый период времени повреждения в виде трещин вновь возникают.
Таким образом, повышенные нагрузки, действующие на КЗП в эксплуатации, и как следствие возникновение отказов имеют сезонный характер. При этом наблюдаются отказы как болтовых соединений, так и непосредственно сварной конструкции нижней и верхней разъемных частей КЗП.
в
г
а
б
тяговом приводе.
Уровень нагруженности конструкции КЗП в значительной мере определяется частотой кинематических возмущений, передающихся на колесно-моторный блок, которые значительно возрастают не только от увеличения скорости движения, но и от длины неровности пути £ (рис. 6). Так, частоту
возмущений можно определить по формуле
Ув оз
Рис. 5. Распределение причин отказов кожухов зубчатой передачи электровозов Красноярской дирекции тяги:
1 - излом кронштейна кожуха; 2 - трещины в листах кожуха; 3 - разрушение кожуха; 4 - повреждение резьбы в бобышке; 5 - повреждение резьбы болтов М42 и М30; 6 - отсутствие болтов М30 и М42;
7 - излом болтов М42 Fig. 5. The distribution of the causes of failure of the gear casings of the electric locomotives of the Krasnoyarsk Traction Directorate: 1 - casing bracket breakage; 2 - cracks in the casing sheets; 3 - destruction of the casing; 4 - damage to the thread in the boss; 5 - damage to the threads of bolts M42 and M30; 6 - the lack of bolts M30 and M42;
7 - the breakage of bolts M42
Закономерности динамического нагружения кожухов зубчатой передачи
Реализация нагруженностей КЗП будет являться нестационарной, и обусловлено это, прежде всего, различным состоянием пути на участке обращения электровозов. Вид и характер нагруженностей -случайные и непрерывные, что типично для объектов наземного транспорта. Ввиду того, что скорость движения электровоза в эксплуатации изменяется в широких пределах, а, соответственно, и частота возмущений, то форма спектра распределения нагрузок без учета возможных резонансных явлений будет иметь широкополосный вид.
Виды динамических нагрузок, действующих на КЗП:
- продольные инерционные нагрузки, обусловленные режимами торможения и тяги, а также продольно-динамическими реакциями в поезде;
- центробежные силы, действующие на КЗП при прохождении кривых участков пути;
- инерционные нагрузки, действующие на КЗП при вилянии тележки электровоза в прямых участках пути;
- инерционные нагрузки, обусловленные колебаниями остова тягового двигателя, при прохождении колесной парой неровностей пути;
- инерционные нагрузки, обусловленные наличием автоколебаний в тяговом приводе электровоза;
- динамические нагрузки, возникающие при бок-совании и юзе колесной пары;
- вибрационная нагрузка, обусловленная наличием вращающихся частей и зубчатого зацепления в
3,6 • L
(1)
где /воз - частота кинематических возмущений со стороны пути, Гц; иэл - скорость электровоза, км/ч; £ - длина периодической неровности пути, м [1, 7].
Й
250
200
150
Ьнер=25 м — Ьнер=2 м — •— Ьнер=0.15м ■—Ьнер=0,5 м
50
О 40 80 120
Скорость электровоза, км/ч
Рис. 6. Диаграмма изменения частоты возмущений от неровностей пути при изменении скорости
движения электровоза Fig. 6. Diagram of changes in the frequency of disturbances from irregularities of the track when changing the speed of the electric locomotive
Так, например, волнообразный износ рельсов характеризуется длиной неровности пути менее 0,15 м [8]. Тогда при скорости 80 км/ч и следовании локомотива по рельсам с волнообразным износом частота возмущений со стороны пути достигает порядка 150 Гц.
В косозубых передачах, которые широко применяются на грузовых электровозах, действуют следующие возмущающие факторы: периодическое изменение жесткости по фазе зацепления, постоянная и переменная составляющие погрешности шагов зацепляющихся зубьев [9]. Постоянная составляющая погрешности шагов приводит к появлению в системе периодической возмущающей силы, действующей с зубцовой частотой f:
fz =
об
60
(2)
где поб - оборотная частота ведущего колеса, об/мин; 2ш - число зубьев ведущего колеса (шестерни), ед.
Далее приведена диаграмма изменения зубцовой частоты возмущений при изменении скорости движения локомотива (рис. 7). Видно, что гармоники возмущений /2, порождаемые пересопряжением зубьев тягового редуктора, имеют широкий диапазон частот.
О 20 40 60 80 100 Скорость электровоза, км/ч Рис. 7. Лучевая диаграмма частоты возмущений в зубчатой передаче при изменении скорости движения электровоза Fig. 7. The beam diagram of the frequency of disturbances in the gear when the speed of the electric locomotive changes
Основной причиной возмущающих усилий, действующих с оборотной частотой вала якоря тягового двигателя, является его неуравновешенность, образующаяся в процессе изготовления или эксплуатации [9]. Так,
fo6 = "
60
(3)
называемых подшипниковых вибраций с широким спектром частот [9].
Наличие высших гармоник в питающем токе тягового двигателя может являться причиной электромагнитных возмущений, которые, как правило, имеют частоту кратную 50 Гц.
Таким образом, представляется целесообразным оценить возможность работы КЗП в резонансном режиме, т. е. при совпадении частот возмущений с собственными частотами конструкции КЗП.
Для расчета собственных частот была создана электронная трехмерная твердотельная модель КЗП, при этом частотный анализ модели производился с помощью программного модуля АРМ Structure3D. Анализ первой формы собственных колебаний (рис. 8) свидетельствует о малой жесткости в переходной части конструкции кожуха между большой и малой горловинами в поперечном направлении относительно оси пути.
где ]'об - частота возмущений с оборотной частотой вала якоря, Гц; поб я - оборотная частота вала якоря, об/мин.
Наличие дефекта на поверхности катания колеса, например, ползуна, приводит к появлению в колес-но-моторном блоке периодической возмущающей силы, действующей с частотой
^ =_^_, (4)
J к'в°з 3,6 Бк
где /к воз - частота кинематических возмущений при наличии дефекта на поверхности катания колеса, Гц; иэл - скорость электровоза, км/ч; Вк - диаметр колеса, м.
Также можно отметить, что якорные подшипники тягового двигателя являются источником так
Рис. 8. Первая форма собственных колебаний кожуха зубчатой передачи Fig. 8. The first form of natural vibrations of the gear casing
Ниже приведена гистограмма распределения собственных частот кожуха (рис. 9). Спектр собственных частот КЗП - точечный, но достаточно плотный, так что в диапазоне частот, представляющем интерес, находится достаточно много собственных частот.
В диапазоне частот 0-1 200 Гц находится порядка 50 собственных частот. Анализ гистограммы распределения собственных частот показывает наличие потенциально высокой виброактивности КЗП при действии возмущающих факторов частотой более 500 Гц ввиду более высокой плотности собственных частот (рис. 9).
В некоторых работах [4, 10-13] приводятся экспериментальные данные ускорений, регистрируемых для элементов тягового привода, в том числе КЗП. Так, например, вертикальные ускорения могут достигать 25 g, при этом отмечается, что если состояние пути будет неудовлетворительным, то вертикальные ускорения могут достигнуть порядка 30 g.
z
ш
об
я
Тогда, решая уравнение (5), можно определить АЧХ, связывающую входной процесс ускорений на колесной паре '¿0 (?) и выходной - динамический
крутящии
М клэд.= M' ) :
момент
на корпусе двигателя
Х =
1 ß 2L2 2
1 H--р
1ж
;)2
1ж
(7)
Частота, Гц
Рис. 9. Гистограмма распределения собственных частот кожуха зубчатой передачи электровоза 2ЭС5К Fig. 9. The histogram of the distribution of the natural frequencies of the electric locomotive 2ES5K gear casing
Колебания остова тягового двигателя вызывают динамические нагрузки, действующие на тяговый редуктор, якорные и моторно-осевые подшипники, подвеску к раме тележки, вызывают вибрации элементов привода.
Рассмотрим воздействие крутильных колебаний остова на КЗП. Дифференциальное уравнение крутильных колебаний тягового двигателя, можно записать в виде
ф(* ) + 2иф(* ) + к \(t ) = ^ (pz0 (t ) + (t )), (5)
где ф(/) - угол поворота корпуса двигателя, рад; в -параметр демпфирования резины амортизатора, кНс/м; Lnoâ - опорная база тягового двигателя,
м; I - эквивалентный момент инерции двигателя, кгм2; ж - жесткость амортизатора подвески двигателя; кН/м; z0 (t) - траектория оси колесной пары,
повторяющая продольный профиль рельса, м; k -циклическая частота собственных угловых колебаний корпуса двигателя, с-1; n - коэффициент сопротивления амортизатора угловым перемещениям корпуса, с-1.
Для оценки экипажа или его узлов как динамической преобразующей системы используют амплитудные и фазовые частотные характеристики, определяющие собой реакцию на кинематические возмущения при прохождении колесными парами неровностей пути [11]. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) дает возможность определить реакцию системы на внешнее возмущение, а, следовательно, и дополнительные возникающие нагрузки, сопровождающие колебательный процесс.
Для определения АЧХ примем гармонические колебания колесной пары с амплитудой ZH и частотой ш: z0(t) = ZKcosrat. (6)
где х. - коэффициент динамического усиления амплитуды колебаний, отн. ед; ц = ш/к - отношение частот возмущений к собственной частоте угловых колебаний остова двигателя, отн. ед.
Ниже приведена АЧХ крутильных колебаний корпуса двигателя НБ418К6 (рис. 10), где жесткость подвески двигателя к раме тележки была принята равной 104 Н/м.
U 0.3 0.5 0.8 1 1.3 1.5 1.8 2 2.3 2.5 Отношение частот ц, отн. ед. Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика крутильных колебании корпуса тягового двигателя Fig. 10. The amplitude-frequency characteristic of torsional vibrations of the traction motor housing
Согласно полученной зависимости (см. рис. 10) максимальное значение амплитуды крутильных колебании корпуса двигателя возникает при условии появления резонанса, когда отношение частоты собственных колебании к частотам возмущения от неровностей пути равно единице (ц = 1). Уровень инерционных динамических нагрузок, действующих на КЗП при крутильных колебаниях корпуса тягового двигателя, зависит прямо пропорционально от углового ускорения двигателя, т. е.
Мд.кзП.(? ) = 4зПф(? ), (8)
где I - момент инерции КЗП относительно поперечной оси пути и проходящей через его центр тяжести.
Если угловые ускорения кожуха и корпуса тягового двигателя считать одинаковыми, то динамические моменты, действующие на КЗП для различных значений отношения частот ц, будут иметь зависимости (рис. 11).
Из полученных зависимостей видно (рис. 11), что при ц < 1, когда подъем (спуск) колеса по неровности пути сопровождается одновременным поворотом корпуса тягового двигателя, колебания корпуса происходят синфазно и возникающий динамический момент не имеет значимой величины. При ц > 1 прохождение неровности и колебания корпуса происходят в противофазе, уровень возникающего динамического момента составляет 2,55 кН-м.
Ц=1
Ц=0,4 Ц=1,5
G 0.-12 Время, с
Монтаж тягового двигателя, как и КЗП в колес-но-моторном блоке, осуществляется под углом а к горизонту (рис. 12).
Если угол поворота КЗП относительно тягового двигателя обозначим 9, а угловую жесткость его креплений к двигателю - с, то уравнение свободных колебаний КЗП примет вид
L
d 2е dt2
= -се,
(9)
где /кзп - момент инерции КЗП относительно оси, проходящей через точку его центра тяжести (Ц.Т.) (рис. 12) перпендикулярно оси пути.
-4.2S.10
Рис. 11. Динамические моменты на кожухе зубчатой передачи от крутильных колебаний корпуса тягового двигателя Fig. 11. Dynamic moments on the gear casing from torsional vibrations of the traction motor housing
При условии резонанса ц = 1 уровень динамического момента, действующего на КЗП от крутильных колебаний корпуса двигателя, имеет наибольшее значение 4,25 кН-м. Изменение величины динамического момента имеет ассиметричный цикл r = -1, что является неблагоприятным с точки зрения усталости материала и его сопротивления усталостным разрушениям.
При движении электровоза по периодическим неровностям пути элементы тягового двигателя, в частности КЗП, испытывают дополнительное динамическое нагружение и вибрации. В этом случае на напряжения от статических и квазистатических нагрузок (сил веса, центробежных сил, тяговых или тормозных сил) накладываются переменные напряжения от нагрузок, которые связаны с колебательными процессами, и чем больше амплитуды и частоты этих нагрузок, тем быстрее наступает усталость материала и, как следствие, возникновение отказа.
Рис. 12. Положение кожуха зубчатой передачи в колесно-моторном блоке Fig. 12. The position of the gear casing in the wheel-motor block
Уравнение определяет гармонические свободные колебания КЗП с частотой
к =
\L
и периодом собственных колебаний Т = 2я,
L
(10)
(11)
Если причиной появления возмущающей силы является прохождение колесной парой периодических неровностей пути, то Тв - период возмущающей силы определится длиной неровности пути Ь и скоростью иэл движения электровоза, т. е.
_ LHep
О
(12)
Поскольку условием появления резонанса является совпадение периодов собственных колебаний и возмущающей силы, то приравняв (11) и (12) получим
LHJL = 2 11„.
(13)
Величина жесткости с крепления КЗП к тяговому двигателю существенно зависит от момента затяжки
с
с
и V с
эл *
болтов и может изменяться, например, при ослаблении болтов или несоблюдении технологии их затяжки. Таким образом, из формулы (13) видно, что диапазон частот, при которых могут возникнуть резонансные явления, будет зависеть не только от частоты возмущений, но и от величины угловой жесткости с.
Конструктивное решение кожуха зубчатой передачи повышенной виброзащищенности
Для снижения динамической и вибрационной нагрузок, передаваемых от корпуса тягового двигателя на КЗП, предлагается усовершенствовать конструкцию его крепления к остову двигателя амортизирующим креплением [7, 14].
Отличительной особенностью предлагаемого устройства КЗП локомотива (рис. 13, а) заключается в том, что в бобышки 1 устанавливаются амортизирующие втулки 2, а в кронштейн 3 устанавливается амортизирующая втулка 4. Амортизирующие втулки 2, которые ввинчиваются в бобышки 1, состоят из двух металлических втулок - внешней 5 и внутренней 6, между ними расположена резиновая (поли-уретановая) втулка 7 (рис. 13, б).
Внешняя металлическая втулка 5 имеет резьбу на внешней стороне, которой ввинчивается в бобышку 1, а также выступающую часть (бурт), имеющую форму гайки, под ключ для ввинчивания амортизирующей втулки в бобышку. Внутренняя металлическая втулка 6 имеет выступающую часть (бурт) диаметром внешней металлической втулки. Наличие этого бурта препятствует смещению внутренней металлической втулки в случае действия осевой нагрузки, так как бурт входит в зацепление с внешней металлической втулкой 5, которая удерживается резьбовым соединением в бобышке 1. Резиновая втулка 7 меньше по длине металлических втулок, что позволяет резиновому элементу при нагрузке деформироваться. Амортизирующая втулка 4 (см. рис. 13, а), которая устанавливается в кронштейн 3 также состоит из двух металлических втулок - внешней 8 и внутренней 10, и расположенной между ними резиновой втулкой 9. Для деформации резиновой втулки 9 в случае нагрузки предусматриваются зазоры по краям металлических втулок - внешней 8 и внутренней 10 (см. рис. 13, в). Таким образом, собранный КЗП крепится к остову тягового двигателя двумя болтами, которые закручиваются в бобышки, а к подшипниковому щиту -через кронштейн крепления одним болтом, отличающимся тем, что в крепления, удерживающие бобышки и кронштейн, установлены амортизирующие втулки, внутри которых расположена резиновая (полиуретановая) втулка.
Такое крепление КЗП способствует снижению динамических и вибрационных нагрузок, передаваемых от остова двигателя на КЗП, уменьшению количества механических повреждений, обусловлен-
ных действием знакопеременных и вибрационных нагрузок, а также изломов болтов крепления КЗП к остову тягового двигателя, сокращению случаев самоотвинчивания болтов крепления и повреждению их резьбы.
б в
Рис. 13. Амортизирующее крепление кожуха зубчатой передачи к остову двигателя: а - резинометаллические втулки в точках крепления кожуха; б - разрез А-А нижней половины кожуха; в - разрез Б-Б кронштейна кожуха Fig. 13. The shock-absorbing fastening of the gear
casing to the engine frame: a - rubber and metal bushings at the points of attachment of the casing; b - section A-A of the lower half of the casing; c - section B-B of the casing bracket
а
Заключение
Выявленные повреждения для КЗП можно разделить на две группы: повреждения креплений кожуха к остову двигателя и трещины, возникающие в самой сварной конструкции кожуха. Как правило, выявляемые повреждения КЗП имеют усталостный характер происхождения. Для возникающих повреждений КЗП наблюдается сезонная зависимость -количество выявляемых повреждений в зимний период значительно выше, чем в летний период.
Существуют особенности динамического нагру-жения КЗП, связанные с продольными периодическими неровностями верхнего строения пути. При движении электровоза по периодическим неровностям пути кожух испытывает дополнительное динамическое нагружение и вибрации.
Таким образом, сложные условия нагруженния КЗП, вероятностный характер одновременного приложения нестационарных нагрузок, возможность возникновения условий резонансных колебаний могут привести к наступлению предельного состояния раньше запроектированного срока. Проведенный анализ повреждений и нагруженности конструкции КЗП позволяет предложить следующие технические решения по совершенствованию его конструкции:
- усиление конструкции путем добавления ребер жесткости или усиливающих накладок в местах с наименьшим коэффициентом запаса прочности;
- введение дополнительной опорной точки крепления к остову тягового двигателя при помощи кронштейна с целью разгрузки имеющихся болтов крепления и снижения уровня возникающих напряжений;
- отказ от консольной схемы крепления КЗП со стороны боковины и применение схемы с торцевыми узлами крепления КЗП к тяговому двигателю;
- установка амортизирующих втулок (сайлент-блоков) в точках крепления КЗП к тяговому двигателю, которые будут играть роль упругой развязки и препятствовать передаче возмущений со стороны двигателя;
- изменение инерционно-жесткостных параметров КЗП и его крепления к тяговому двигателю с целью отстройки от возможных резонансных режимов нагружения;
- применение средств гашения колебаний и виброзащиты, например, введение упруго-диссипативной связи между двигателем и КЗП.
Список литературы
1. Бирюков И.В. Механическая часть тягового подвижного состава / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак / под ред. И.В. Бирюкова. - М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
2. Развитие локомотивной тяги / Н.А. Фуфлянский, А.С. Нестрахов, А.Н. Долганов, Н.Н. Каменев, А.Э. Пахомов / под ред. Н.А. Фуфлянского, А.Н. Безвенко. - М.: Транспорт, 1982. - 303 с.
3. ГОСТ Р 55513-2013. Локомотивы. Требования к прочности и динамическим качествам: национальный стандарт Российской Федерации / Разработан: Научно-исследоват. и конструктор.-технолог. ин-т подвиж. состава. - Изд. офиц.: введен впервые 2014-07-01. - Москва: Стандартинформ, 2014. - 41 е.
4. Исследования условий работы кожухов редукторов тяговых двигателей электровоза ВЛ8 / М.П. Пахомов [и др.] // Взаимодействие подвижного состава и пути, динамика локомотивов: науч. тр. Т. 89 / Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. - Омск: ОмИИТ, 1967. - С. 47-51.
5. Школьный М.И., Амедов Г.Г., Демченко И.П. Кожухи зубчатых передач. Проблемы и альтернативные конструкции // Вестник ВЭлНИИ. 2017. № 2 (76). С. 43-51.
6. Андриевский А.Г. Усиление конструкции кожуха тяговой зубчатой передачи грузовых электровозов Восточного полигона / А.Г. Андриевский //Образование - Наука - Производство: Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., 7 декабря 2018 г. - Чита: ЗабИЖТ ИрГУПС, 2018. - Т. 1. - С. 7-11.
7. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов»: утверждено ОАО «РЖД» 23 октября. 2014 г. / РЖД, Открытое АО «Российские ж. д.». - Москва: [б. и.], 2014. - 140 с.
8. Вибрации в технике: Справочник в 6 т. / ред. совет: В.Н. Челомей (пред., гл. ред.) [и др.]. - М: Машиностроение, 1980 - Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / под ред. Ф.М. Диментберга, К.С. Колесникова. 1980. - 544 с.
9. Кочергин В.В. Высокочастотное нагружение деталей тягового привода // Вестник ВНИИЖТ. 1978. № 6. С. 25-28.
10. Повышение надежности экипажной части тепловозов / [А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др.] / под ред. Л.К. Добрынина. - М.: Транспорт, 1984. - 248 с.
11. Исследование динамических воздействий на полюсы магнитной системы тяговых электродвигателей НБ-418к / В.С. Авраменко [и др.] // Вестник ВНИИЖТ. 1981. № 8. С. 33-36.
12. Андриевский А.Г. Кожух зубчатой передачи локомотива с виброзащитным креплением к тяговому двигателю / А.Г. Андриевский // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы IV всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2018. - С. 61-65.
13. Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика. Медель В.Б. учеб. для институтов ж.-д. транспорта, изд. 4-е, перераб. М., Транспорт, 1974. - 232 с.
14. Бирюков И.В. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог / И.В. Бирюков, А.И. Беляев, Е.К. Рыбников. - Москва: Транспорт, 1986. - 256 с.
15. Захарченко Д.Д. Тяговые электрические машины: учеб. для вузов по спец. ж.-д. трансп. / Д.Д. Захарченко, Н.А. Ротанов. - М.: Транспорт, 1991. - 343 с.
16. Пат. 187956 РФ, МПК F16H 57/031; В61С 9/06. Кожух зубчатой передачи локомотива / А.Г. Андриевский, А.И. Романовский; ФГБОУ ВО ИрГУПС. - № 2018122531; заявл. 19.06.2018; опубл. 26.03.2019, Бюл. № 9. - 8 с.
References
1. Biryukov I.V., Savos'kin A.N., Burchak G.P. Mekhanicheskaya chast' tyagovogo podvizhnogo sostava [The mechanical part of the traction rolling stock]. In Biryukov I.V. (ed.) Moscow: Transport Publ., 1992, 440 p.
2. Fuflyanskii N.A., Nestrakhov A.S., Dolganov A.N., Kamenev, Pakhomov A.E. Razvitie lokomotivnoi tyagi [The development of locomotive traction]. In Fuflyanskii N.A., Bezvenko A.N. (eds.) Moscow: Transport Publ., 1982, 303 p.
3. GOST R 55513-2013. Lokomotivy. Trebovaniya k prochnosti i dinamicheskim kachestvam: natsional'nyi standart Rossi-iskoi Federatsii. Razrabotan: Nauchno-issledovat. i konstruktor.-tekhnolog. in-t podvizh. sostava. Izd. ofits.: vveden vpervye 2014-07-01. [GOST R 55513-2013. Locomotives Requirements for strength and dynamic qualities: national standard of the Russian Federation. Designed by: Scientific research and designer technology Institute of rolling stock. Offic. ed.: introduced for the first time on 2014-07-01]. Moscow: Standartinform Publ., 2014, 41 p.
4. Pakhomov M.P. et al. Issledovaniya uslovii raboty kozhukhov reduktorov tyagovykh dvigatelei elektrovoza VL8 [Investigation of the working conditions of the gearboxes of the traction motors of the VL8 electric locomotive]. Vzaimodeistvie podvizhnogo sostava i puti, dinamika lokomotivov: nauch. tr. T. 89 [Interaction of rolling stock and track, locomotive dynamics: proceedings. Vol. 89]. Omsk Institute of Railway Transport Engineers. Omsk: OmIIT Publ., 1967, pp. 47-51.
5. Shkol'nyi M.I., Amedov G.G., Demchenko I.P. Kozhukhi zubchatykh peredach. Problemy i al'ternativnye konstruktsii [Gear housings. Problems and alternative constructions]. Vestnik VElNII, 2017. No. 2 (76), pp. 43-51.
6. Andrievskii A.G. Usilenie konstruktsii kozhukha tyagovoi zubchatoi peredachi gruzovykh elektrovozov Vostochnogo poligona [Strengthening the design of the casing of the traction gear of freight electric locomotives at the Eastern polygon]. Obrazovanie - Nauka - Proizvodstvo: Materialy Vserossiiskoi nauch.-prakt. konf., 7 dekabrya 2018 g. [Education - Science -Production: Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conf., December 7, 2018]. Chita: ZabIZhT IrGUPS Publ.,
2018. Vol. 1, pp. 7-11.
7. Instruktsiya «Defekty rel'sov. Klassifikatsiya, katalog i parametry defektnykh i ostrodefektnykh rel'sov»: utver-zhdeno OAO «RZhD» 23 oktyabrya. 2014 g. [Instruction "Rail defects. Classification, catalog and p arameters of defective and sharp-defective rails": approved by Russian Railways on October 23, 2014]. RZD, Open AO «Russian railways». Moscow, 2014, 140 p.
8. Vibratsii v tekhnike: Spravochnik v 6 t. [Vibrations in technology: A reference book: In 6 vols.]. Ed. board: V.N. Chelo-mei (chair, chief ed.) (et al.). Moscow: Mashinostroenie Publ., 1980. Vol. 3. Kolebaniya mashin, konstruktsii i ikh elementov [Oscillations of machines, structures and their elements]. In Dimentberg F.M., Kolesnikov K.S. (eds.) 1980, 544 p.
9. Kochergin V.V. Vysokochastotnoe nagruzhenie detalei tyagovogo privoda [High-frequency loading of traction drive parts]. Vestnik VNIIZhT [The Vestnik of Railway Research Institute], 1978, No. 6, pp. 25-28.
10. Belyaev A.I., Bunin B.B., Golubyatnikov S.M. et al. Povyshenie nadezhnosti ekipazhnoi chasti teplovozov [Improving the reliability of the underframe of diesel locomotives]. In Dobrynin L.K (ed.) Moscow: Transport Publ., 1984, 248 p.
11. Avramenko V.S. et al. Issledovanie dinamicheskikh vozdeistvii na polyusy magnitnoi sistemy tyagovykh elektrodvigate-lei NB-418k [The study of dynamic effects on the poles of the magnetic system of traction electric motors NB-418k]. Vestnik VNIIZhT [The Vestnik of Railway Research Institute], 1981, No. 8, pp. 33-36.
12. Andrievskii A.G. Kozhukh zubchatoi peredachi lokomotiva s vibrozashchitnym krepleniem k tyagovomu dvigatelyu [The gear casing of a locomotive with vibration-proof fastening to a traction]. Ekspluatatsionnaya nadezhnost' lokomotivnogoparka i povyshenie effektivnosti tyagi poezdov: Materialy IV vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchas-tiem [Operational reliability of the locomotive fleet and increasing the efficiency of train traction: Materials of the IV All-Russian scientific and technical conference with international participation]. Omsk state transport un-ty. Omsk, 2018, pp. 61-65.
13. Medel' V.B. Podvizhnoi sostav elektricheskikh zheleznykh dorog. Konstruktsiya i dinamika. Ucheb. dlya institutov zh.-d. transporta [Rolling stock of electric railways. Design and dynamics. A textbook for railway transport institutes]. 4th ed., revised. Moscow, Transport Publ., 1974, 232 p.
14. Biryukov I.V., Belyaev A.I., Rybnikov E.K. Tyagovye peredachi elektropodvizhnogo sostava zheleznykh dorog [Traction gears of railway electric rolling stock]. Moscow: Transport Publ., 1986, 256 p.
15. Zakharchenko D.D., Rotanov N.A. Tyagovye elektricheskie mashiny: ucheb. dlya vuzov po spets. zh.-d. transp. [Traction electric machines: A textbook for universities with majors on railway transp.]. Moscow: Transport Publ., 1991, 343 p.
16. Andrievskii A.G., Romanovskii A.I. Kozhukh zubchatoi peredachi lokomotiva [Locomotive gear casing]; Pat. 187956 RF, MPK F16H 57/031; V61S 9/06. FSBEI HE IrGUPS. No. 2018122531; applied 19 Jun 2018; publ. 26 Mar
2019, Bull. No. 9, 8 p.
Информация об авторах
Москвичев Владимир Викторович - д. т. н., профессор, директор Красноярского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, г. Красноярск, e-mail: krasn@ict.nsc.ru Чабан Елена Анатольевна - к. т. н., доцент кафедры общепрофессиональных дисциплин, Красноярский институт железнодорожного транспорта, филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, e-mail: chaban_tm@mail.ru Андриевский Анатолий Геннадьевич - старший преподаватель кафедры эксплуатации железных дорог, Красноярский институт железнодорожного транспорта, филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, e-mail: Andrievs1@yandex.ru
Information about the authors
Vladimir V. Moskvichev - Doctor of Engineering Science, Professor, Institute of computational technologies of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk Branch Office, Krasnoyarsk, e-mail: krasn@ict.nsc.ru
Elena A. Chaban - Ph.D. in Engineering Science, Associate Professor of the Subdepartment of General Professional Disciplines, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, e-mail: chaban_tm@mail.ru
Anatolii G. Andrievskii - Senior lecturer, the Subdepartment of Railway Operation, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, e-mail: Andrievs1@yandex.ru
