CC BY
40
УДК 629.4 027 : 115.001.24 : 621.8 Чернин Ростислав Игоревич,
магистр техн. наук, аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375(232)953791, факс: +375(232)711590, e-mail: richlord@rambler.ru.
РАСПРЕССОВКА СОЕДИНЕНИЙ С ГАРАНТИРОВАННЫМ НАТЯГОМ И КОНТРОЛЬ НАПРЕССОВОК КОЛЕЦ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ КОЛЁСНЫХ ПАР ВАГОНОВ
R.I. Chernin
DISMANTLE OF CONNECTIONS WITH THE GUARANTEED TIGHTNESS AND PLANTINGS OF RINGS OF BEARINGS OF WHEEL PAIRS CARS CONTROL
Аннотация. Для совершенствования механосборочных процессов выполнены разработки по улучшению демонтажа соединений с натягом буксовых подшипников с осями при ремонте колёсных пар вагонов с роликовыми буксовыми узлами. Даётся описание разработанных малогабаритных навесных устройств для осуществления гидропрессовой технологии с торцовым нагнетанием смазки (ГПТТ) при сборке разборке соединений с гарантированным натягом. Приведена полученная аналитическая зависимость распределения давления масла в зоне контакта деталей при гидрораспоре в сопряжении. Новизна и востребованность технических решений подтверждается патентами на изобретения РБ и РФ.
Ключевые слова: соединение, натяг, ось, колесо, сопряжение, давление, жидкость, повреждение, запрессовка, демонтаж, сборка.
Abstract. For perfection of machine-assembling processes workings out on improvement of dismantle of connections with a tightness of bearings with axes are executed at repair of wheel pairs cars with roller axle boxes. The description of the developed small-sized hinged devices for realisation technologies with face forcing of greasing at assemblage-dismantling of connections with the guaranteed tightness the received analytical dependence of distribution ofpressure of oil in a zone of contact of details Is resulted in interface. Novelty and a demand of technical decisions is proved with patents for inventions of Byelorussia and the Russian Federation.
Keywords: connection, tightness, axis, bearing, interface, pressure, liquid, damage, dismantle, assemblage.
1. Введение
Повышение эффективности технологических процессов монтажа и демонтажа соединений
с гарантированным натягом и совершенствование технической диагностики тепловых и механических напрессовок по прочности сопряжения охватывающей и охватываемой деталей сопряжения -актуальная производственная задача в вагоностроении и в ремонтном производстве. В ремонтной практике по решению вопроса демонтажа соединений с гарантированным натягом колец буксовых подшипников с шейкам осей колёсных пар вагонов следует отметить два основных направления: а) применение индукционного нагрева токами высокой частоты для тепловой разборки колец с использованием транзисторных генераторов, например ВГТ 5В-10/66 мощностью 10 кВт и частотой 66 кГц; б) использование «холодной» разборки напрессовок (механическая распрессовка соединений теплового формирования внутренних колец разборных роликовых буксовых подшипников при ремонте), где для снятия колец подшипников используется продольный относительный их сдвиг.
Анализ характерных особенностей отмеченных способов разборки соединений с натягом показывает, что в первом случае энергоёмкость (энергозатраты) процесса снижаются на 30-40 % по сравнению с применением индукторов, работающих на промышленной частоте, условия труда значительно облегчаются из-за снижения веса индуктора в 10-12 раз, повышается производительность процесса разборки, так как из-за малых тепловых потерь количество циклов работы не ограничено. Но всё же энергоёмкость демонтажа остаётся достаточно высокой. Во втором случае при новой технологии холодной напрессовки и распрессовки колец буксовых подшипников и лабиринтных колец (например, на стендах ГД-206 и УДБ-2) детали соединений после расформирования сопряжений зачастую приходят в полную не-
годность или требуют дополнительной механической обработки. Выполняется демонтаж в «холодном» состоянии внутренних колец буксовых подшипников 30(36)-232726 и 30(36)-42726 по ТУ ВНИИП.048-99 и ТУ ВНИИП.072-99, а также двухрядных конических подшипников кассетного типа с осей РУ1Ш и РУ1 по ГОСТ 22780 колёсных пар. Предусматривается возможность демонтажа указанных типов подшипников в условиях вагоноремонтных заводов и ремонтных участков железнодорожных депо. Выполняется демонтаж буксовых узлов поочерёдно, установки комплектуются набором сменных захватывающих приспособлений, обеспечивающих различные варианты демонтируемых буксовых узлов и технологии демонтажа буксовых подшипников с осей вагонных колёсных пар методом холодного прессования (механической распрессовкой). Аксиальное усилие распрессовки до 500 кН, контроль усилия сдвига при демонтаже соединения не производится. Скорость относительного перемещения сопряженных с натягом деталей при распрессовке от 2,5 до 4 мм/с, наибольшее их относительное перемещение до 250 мм, габариты в плане технологической оснастки по механической распрессовке соединений - 650^1600 мм. Достижение более высокого уровня качества механосборочных процессов при изготовлении и ремонте колёсных пар, улучшение технологии разборки соединений с гарантированным натягом, повышение её эффективности (увеличение производительности процесса, снижение затрат) - актуальная задача в вагоноремонтном производстве при переформировании колёсных пар вагонов.
2. Основные результаты работы
Целесообразной для демонтажа соединений с натягом колец буксовых подшипников колёсных пар вагонов является ресурсосберегающая гидропрессовая технология с торцовой подачей (ГПТТ) масла высокого давления в зону контакта сопряженных деталей. Исследования по созданию рациональной технологической оснастки для гидропрессовых работ и разработке теоретического обоснования физических процессов, наблюдаемых при использовании новых конструкций для осуществления гидрораспора, в сопряжении с торцовым нагнетанием масла и диагностических средств по оценке прочности тепловых соединений с гарантированным натягом колец буксовых подшипников с шейками осей вагонных колёсных пар проводятся в ОНИЛ «ТТОРЕПС» БелГУТа. Разработано несколько конструкций малогабаритных навесных устройств (гидрофицированных модулей) для демонтажных работ при осуществле-
нии предложенного нового способа контроля прочности сопряжения деталей напрессовок [1]. Соответствие предложенных технических решений условиям новизны, полезности и промышленной применимости подтверждается патентами на изобретения Республики Беларусь и Российской Федерации.
Разработана конструкция гидрофицирован-ного малогабаритного устройства [2] для демонтажа внутренних колец роликовых буксовых подшипников вагонных колёсных пар. Данное устройство позволяет осуществлять маслосъём напрессованных на шейку оси внутренних колец переднего и заднего подшипников поочерёдно при проведении полной ревизии буксовых узлов колёсных пар. Устройство содержит гидравлическую часть для создания высокого давления жидкой смазки (РЖ) в зоне напрессовки и механическую часть для закрепления рабочего гидроцилиндра устройства на демонтируемом кольце подшипника и для создания аксиального сдвигающего усилия распрессовки. Жидкая смазка проникает от наружного торца кольца подшипника в глубь сопряжения поверхностей контакта охватываемой и охватывающей деталей демонтируемого соединения с натягом в виде клиновой масляной прослойки, разделяющей эти поверхности. При достижении и поддержании заданного расчётного значения давления масла во внутренней полости рабочего гидроцилиндра устройства производится аксиальное перемещение его корпуса вместе с кольцом подшипника относительно шейки оси при помощи силового винта до полного разъединения снимаемого кольца с шейкой оси. Если маслосъём не обеспечивается, допускается увеличивать давление нагнетания масла ступенчато с выдержкой 39-40 с, но не более чем до максимально допустимого расчётного значения. После маслосъёма кольца переднего подшипника с перенастройкой устройства выполняется демонтаж внутреннего кольца заднего подшипника. Для повышения надёжности работы устройства при поочерёдном маслосъёме напрессованных на шейку оси колец подшипников и увеличения производительности процесса маслосъёма разработаны конструкции двух устройств, в которых исключён силовой винт и предусмотрена возможность регулирования величины аксиальной сдвигающей силы распрессовки при помощи двух конусных фрикционных втулок, охватывающих поршень-шток рабочего гидроцилиндра, с противоположно направленными вершинами их конусных контактирующих поверхностей, позволяющих изменять сопротивление перемещению последнего: 1) патент РБ на полезную модель БУ 4806 и;
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
2) заявка № а20081181, решение от 06.12.2910 г. о выдаче патента на изобретение РБ.
Для одновременной распрессовки двух внутренних колец (переднего и заднего буксового подшипников) после создания расклинивающей масляной прослойки в зоне их контакта с шейкой оси разработано [3] в лаборатории «ТТОРЕПС» гидрофицированное малогабаритное устройство с использованием одновременной торцовой подачи рабочей жидкости в зону соприкасающихся торцов двух напрессованных на шейку оси колец. Задачей данной разработки являлось увеличение производительности процесса маслосъёма деталей с оси колёсной пары и повышение надёжности работы устройства. Гидравлическая часть устройства [3] кроме основного корпуса рабочего гидроцилиндра содержит и вспомогательный корпус, который закрепляют концентрично на наружных поверхностях двух рядом стоящих колец подшипников для образования замкнутой герметической полости с целью обеспечения радиальной одновременной подачи РЖ высокого давления со стороны соприкасающихся торцов колец переднего и заднего подшипников в зону их контакта с шейкой оси. Вспомогательный корпус крепится к основному корпусу и вместе с ним может перемещаться относительно шейки оси колёсной пары до полного смещения по создаваемой масляной прослойке демонтированных колец на поршень-шток основного корпуса устройства. После этого снижают давление рабочей жидкости, демонтируют устройство с оси колёсной пары и удаляют снятые два кольца переднего и заднего подшипников буксового узла.
Дальнейшим развитием описанного устройства является разработанное нами новое техническое решение, включающее более рациональную конструкцию вспомогательного корпуса для радиального подвода РЖ высокого давления и дополнительного нагнетания РЖ с торца кольца переднего подшипника. Кроме того, предусмотрен гидравлический привод для обеспечения аксиального относительного перемещения подвижной части устройства вместе с демонтируемыми внутренними кольцами переднего и заднего подшипников (заявка № а20081155, решение от 06.12.2010 г.
о выдаче патента на изобретение Республики Беларусь).
По научно-исследовательской работе, проводимой в данном направлении, основной задачей являлось нахождение приближенных аналитических зависимостей по определению основных параметров процессов ГПТТ, пригодных для практического применения при технической
диагностике согласно предложенному способу контроля прессовых соединений колец буксовых подшипников с шейками осей вагонных колёсных пар. Известно, что масляная прослойка под высоким давлением в соединениях деталей с гарантированным натягом при гидрораспрессовке сопряжений носит временный характер и предназначена для радиального смещения их поверхностей контакта с целью создания монтажного деформируемого кольцевого сужающегося по длине посадки зазора, заполненного жидкой смазкой. При создании масляного слоя в сопряжении должна учитываться эффективность проникновения жидкой смазки
в зону контакта, которая повышается с уменьшением вязкости применяемой рабочей жидкости (РЖ). При недостаточной толщине смазочного слоя между деталями соединения в процессе технологической его опрессовки в зоне сопряжения может возникать металлический контакт, приводящий к смятию микронеровностей и повреждению сопряжённых поверхностей. Зона жидкостного контакта (трения) оказывает основное влияние на механосборочные процессы при ГПТТ. Границы ЗЖК определяются для условия гарантированного разъединения деталей соединения масляной прослойкой, толщина которой (высота зазора) превышает высоту микронеровностей поверхностей контакта. Критериями условий трения в гидропрессовых соединениях являются: а) уровень контактного давления рк (величина натяга в сопряжении) и давления нагнетания масла рж;; б) радиальные смещения сопряжённых поверхностей охватывающей и охватываемой деталей соединения; в) шероховатости поверхностей (и ) контакта и длина сопряжения поверхностей деталей.
Величины деформаций и характер их изменения по длине посадки кольца буксового подшипника при торцовом подводе РЖ под различным давлением в сопряжение с шейкой оси приведены в экспериментальных исследованиях ВНИИЖТа [4]. Проведенная нами математическая обработка указанных опубликованных данных замеров по определению НДС (напряжённо-деформированного состояния) охватывающей детали соединения позволила получить графические зависимости, характеризующие общий характер распределения давления нагнетаемой с торца сопряжения РЖ по длине деформированного зазора в зоне контакта соединённых с гарантированным натягом деталей (рис. 1).
Силы сопротивления зависят от длины соединения, применяемой РЖ, состояния поверхно-
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
стеи контакта, скорости протекания гидросреды и др. При повышении проникающей способности гидросреды в сопряжении деталей во многих случаях не реализуется расклинивающий эффект при гидрораспоре, увеличивается вероятность отказов в работе устройств для гидропрессования и повреждений поверхностей контакта, снижается надежность технологического процесса монтажа-демонтажа гидропрессовых соединений.
35 МПа
___ 30 МПа
25 МПа;
/
20 МПа
-V -У
при технологической опрессовке соединения с натягом, /0 - длина масляного клина. Преобразуя приведенное выражение, при соотношениях =Рш /Рк - степень сжатия масла в деформируемом зазоре при гидроопрессовке соединения с гарантированным натягом, шг=рж;/рк - степень повышения давления нагнетания рабочей жидкости (РЖ), получаем
Рш Pk
1 + _1)(1 _£о) 1 + (шк _ 1)(1 _£о )
1/4
(2) (3)
—- 8 =Ьг/Ьо
Рис. 1. Графические зависимости распределения давления в масляной прослойке по длине сопряжения
Условия жидкостного трения гарантированно обеспечиваются в зоне проникновения РЖ (жидкой смазки), которая определяется из условия и рм{ >рк, где \к\ - величина создаваемого
монтажного зазора, заполненного жидкой смазкой, в соединении, достаточная для проникновения расклинивающего масляного слоя вглубь посадки на длину /0 (длина масляного клина).
Теоретическое решение для частного случая контактно-гидродинамической задачи при гидрораспоре в зоне сопряжения соединений с гарантированным натягом позволяет рекомендовать использовать в расчётах гидропрессовых механосборочных процессов полученную аналитическую приближённую зависимость, характеризующую закономерность распределения давления рг в масляном слое в зоне сопряжения по длине посадки с гарантированным натягом при технологической опрессовке
Рмг = Рк + (Лм_ Л )(1 _^0)1/4, (1)
где 80 =12/10- коэффициент заполнения РЖ при
расклинивании сопряжения, ¡г - расстояние от места подвода жидкой смазки с торца сопряжения до рассматриваемого сечения по длине посадки
Р мг = Рk
Степень сжатия сок жидкой смазки в зазоре определяется из указанного выше соотношения давлений с применением известной зависимости для расчёта величины контактного давления р в сопряжении диаметром й при заданном натяге соединения 5 при наружном диаметре йн охватывающей детали и показателей шероховатости контактирующих поверхностей. Величина ак должна
быть не менее расчётного значения согласно с полученным общим выражением.
= 1 + 2(Дг! + Л22)5-1.
Зная давление рш в масляном слое на заданном удалении от входа жидкой смазки в сопряжение, величину давления нагнетания рабочей жидкости с торца напрессовки и преобразуя уравнение (1), можно аналитически определить фактическую величину контактного давления от натяга в сопряжении деталей, обусловливающего прочность сопряжения деталей соединения
Рк =[Рм2 _ Рм 1(1 _8о)](1 _8о)1/4. (4)
Приведенное выражения может быть использовано для оценки прочности сопряжения сформированного соединения с гарантированным натягом при использовании технологической его опрессовки (ГПТТ).
Недостатками соединений с гарантированным натягом являются недопустимость даже однократной их перегрузки (трение покоя двух твёрдых тел при предварительном смещении, сила трения в сопряжении связана с микроизменениями микронеровностей поверхностей контактирующих тел, локализованных в поверхностных слоях) и снижение усталостной прочности осей из -за увеличения амплитуды микроперемещений сопряженных деталей при заниженных натягах, усиливающих активность процессов фретинг-коррозии. При больших амплитудах микроперемещений помимо фретинг-коррозии происходит обычный износ поверхностей, который имеет параболическую
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
зависимость от удельной нагрузки и линейную зависимость от количества циклов нагружения [5]. Наиболее интенсивно трещины усталости в осях колёсных пар проявляются примерно через 16 лет эксплуатации. Способ контроля прочности запрессовки деталей соединения должен обеспечивать достаточно достоверную оценку сформированного сопряжения с натягом колец буксовых подшипников с шейками осей колёсных пар, а следовательно, исключить вероятность аксиального сдвига колец относительно шеек осей в эксплуатации. При отсутствии эффективного контроля сборки соединений неизбежны отцепки вагонов в ремонт из-за нагрева буксовых узлов, разрушения роликовых подшипников и излома шеек осей вагонных колёсных пар.
Предложено техническое решение по новому эффективному способу неразрушающего контроля соединений с гарантированным натягом, новизна и полезность которых подтверждается патентами РБ и РФ на изобретения [6]. Разработана методология оценки прочности напрессовки по предложенному способу неразрушающего контроля соединений с натягом колец подшипников, основанная на использовании аналитической зависимости (4). При известных величинах давления нагнетания гидросреды с торца сопряжения и давления в рассматриваемом сечении по длине расклинивающего масляного клина в сопряжении определяется величина контактного давления под посадкой от натяга в соединении. Численные результаты решения находятся следующим образом. Фиксируют расстояние /г до рассматриваемого сечения напрессовки и замеряют мерительным инструментом среднюю величину Лй2 увеличения наружного диаметра охватывающей детали при
гидрораспоре в сопряжении диаметром ё (давление нагнетания РЖ в сопряжение устанавливают по показаниям манометра). Согласно решению Гадолина - Ляме из зависимости для определения
перемещения на поверхности охватывающей детали соединения по воздействием внутреннего давления ( р ) в толстостенном цилиндре находим при тк = й2 / й
рмъ = М2(т2 -1)Е/1й2,
(5)
где тк = 1,215 - для напрессовок колец подшипников на шейки осей вагонных колёсных пар (обработка статистических данных экспериментальных замеров)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Совершенствование контроля соединений с натягом подшипников колёсных пар / Сенько В. И., Чернин И. Л., Чернин Р. И., Сенько Н. Г. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. 2010. - № 3 (27). - С. 18-22.
2. Пат. 7609 РБ. Устройство для разборки соединений колёс буксовых роликовых подшипников с шейками осей колёсных пар вагонов / Чернин И. Л., Сенько Н. Г., Чернин Р. И. ; за-явл. 30.12.2005.
3. Пат 13904 РБ Устройство для распрессовки колец буксовых подшипников колёсной пары / Чернин И. Л., Сенько В. И., Чернин Р. И. ; за-явл. 30.12.2010.
4. Генич Б. А., Акбашев Б. З. Гидравлический способ демонтажа подшипников качения. - М. : ВНИИЖТ, 1960. - 20 с.
5. Алябьев А. Я. Методы защиты деталей от фре-тинг-коррозии : сб. науч. тр. Киев. ин-та гражд. авиации. - Киев, 1971. С. 35-40.
6. Пат. 2329478 Российская Федерация. Способ неразрушающего контроля прочности напрес-совки колец подшипников на шейке оси колёсной пары и устройство для его осуществления / Сенько В. И., Чернин И. Л., Чернин Р. И., Сенько Н. Г. ; заявл. 20.07.2008.
