CC BY
36
УДК 629.4.027 Сенько Вениамин Иванович,
д.т.н., профессор, ректор Белорусского государственного университета транспорта,
тел.: +375(232)777215, факс.: +375(232)711590 Чернин Игорь Леонидович,
к.т.н., доцент, в.н.с. ОНИЛ «ТТОРЕПС» Белорусского государственного университета транспорта,
тел.: +375(232)953791, факс: +375(232)711590 Чернин Ростислав Игоревич, магистр технических наук, аспирант Белорусского государственного университета транспорта,
тел.: +375(232)953791, факс: +375(232)711590, e-mail: [email protected]
Сенько Надежда Григорьевна, н.с. ОНИЛ «ТТОРЕПС» Белорусского государственного университета транспорта,
тел.: +375(232)953791, факс: +375(232)711590
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНТРОЛЯ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ПОДШИПНИКОВ КОЛЁСНЫХ ПАР
V.I. Senko, I.L. Chernin, R.I. Chernin, N.G. Senko
PERFECTION OF THE CONTROL OF CONNECTIONS WITH A TIGHTNESS OF BEARINGS OF WHEEL PAIRS
Аннотация. Для определения прочности сопряжения колец подшипников с осями колёсных пар предлагается устройство, содержащее камеру высокого давления, охватывающую контролируемое кольцо подшипника и соединяемую соосно с шейкой оси для создания давления жидкости в зоне контакта деталей посадки при осуществлении замеров деформаций кольца подшипника от давления жидкости, по величине которых определяют фактический натяг и контактное давление в сопряжении деталей.
Ключевые слова: соединение, натяг, ось, подшипник, контроль, прочность, сопряжение, давление, жидкость, деформация.
Abstract. For definition of durability of interface of rings of bearings with axes of wheel pairs the device containing the chamber of a high pressure, covering a controllable ring of the bearing and connected coaxially with an axis neck, for creation of pressure of a liquid in a zone of contact of details of planting is offered at realisation of gaugings of deformations of a ring of the bearing from pressure of a liquid on which size define an actual tightness and contact pressure in interface of details.
Keywords: connection, a tightness, an axis, the bearing, the control, durability, interface, pressure, a liquid, deformation.
Введение
Вопросы повышения надёжности ходовых частей подвижного состава и возможные пути их решения имеют решающее значение в обеспечении безопасности движения. Техническое состояние колёсных пар предопределяет достигнутый уровень безопасного железнодорожного сообщения, поэтому проблеме увеличения их надёжности в эксплуатации уделяется особое внимание. В решении указанной проблемы актуальными являются задачи совершенствования сборки и контроля соединений с гарантированным натягом колёсных пар. При этом заслуживают внимания технологические методы, обеспечивающие повышение надёжности и долговечности напрессовок. Применяемые в технологии механосборочных процессов способы оценки посадки на шейки осей колёсных пар внутренних колец буксовых роликовых подшипников не обеспечивают возможности получения вполне достоверных данных о величине контактного давления (натяга) в зоне сопряжения и напряжённом состоянии полученного соединения из-за дискретности контакта на отдельных участках поверхностей соединённых с натягом деталей.
В производственных условиях необходимо иметь более совершенную технологическую оснастку и современное оборудование с программным обеспечением для эффективного контроля прочности соединений с гарантированным натягом колёсных пар, что позволяет исключить случаи про-
Современные технологии. Механика и машиностроение
ворачивания колец подшипников на шейках осей из-за ослабления натяга и разрушения последних в эксплуатации от перенапряжения соединений при завышении величины натяга.
Основные результаты работы
Предложены технические решения по новым способам неразрушающего контроля соединений с гарантированным натягом, новизна и полезность которых подтверждается патентами на изобретения РБ и РФ (БУ 7377 С1, ЯИ 2329478 С1). Целью указанных разработок является обеспечение возможности осуществления более достоверной оценки качества сборки соединений с гарантированным натягом для увеличения технического ресурса и надёжности буксовых узлов и колёсных пар вагонов, безопасности движения поездов, а также для повышения производительности сборочного процесса. При реализации указанных способов оценки качества сборки тепловых посадок колец буксовых подшипников на шейки осей колёсных пар контроль сопряжения деталей осуществляется дважды: 1 - перед сборкой путём традиционной косвенной оценки формируемого соединения по разности посадочных размеров деталей; 2 - прямым способом (при помощи тензо-метрирования) после формирования соединения по фактическому напряжённо-деформированному состоянию (НДС) охватывающей детали соединения, обусловленному наличием действительного натяга (с учётом макро- и микрогеометрии) в сопряжении. В этом заключается основной отличительный признак предложенных решений по контролю тепловых напрессовок буксовых подшипников колёсных пар вагонов.
Дальнейшим продолжением разработок в указанном направлении является техническое решение по новой конструкции технологической оснастки для неразрушающего контроля напрес-совок по упомянутым способам (устройство по заявке №20090634 на изобретение РБ), позволяющее осуществлять выходной контроль напрессов-ки как при новом формировании, так и проверку прочности напрессованных ранее колец подшипников на шейки осей при проведении полной ревизии букс роликовых колёсных пар. Устройство содержит коаксиально установленный относительно двух рядом стоящих (напрессованных на шейку оси) колец подшипников силовой элемент в виде камеры высокого давления, обеспечивающей торцовый подвод рабочей жидкости (РЖ) в зону контакта сопряженных с натягом деталей. Камера высокого давления закрепляется неподвижно и
герметично в средней части шейки оси над разъёмом между контактирующими торцовыми поверхностями колец подшипников и снабжена кольцевыми уплотнениями по наружным поверхностям контролируемых колец в виде двух оппозитно расположенных тонкостенных втулок с конусными наружными поверхностями и нажимными гайками. Корпус упомянутого силового элемента (камеры высокого давления РЖ) выполнен в виде толстостенного стакана с глухим дном и ступенчатыми внутренними поверхностями, снабжённого крышкой с кольцевой прокладкой, при этом крышка изготовлена с центральным отверстием, имеющим конусную поверхность, вершина конуса которой направлена внутрь стакана. В указанном отверстии размещена конусная втулка кольцевого уплотнения по поверхности кольца заднего подшипника, скреплённая неподвижно с крышкой стаканообразного корпуса. Днище этого толстостенного стакана закрепляется на торце шейки оси, при этом внутренняя поверхность днища прижимается к наружному торцу напрессованного кольца переднего подшипника с использованием торцового уплотнения. Открытый торец камеры высокого давления снабжён нажимной втулкой с резьбовой наружной частью и конусной внутренней поверхностью. Эта втулка соединена с резьбовой частью на внутренней поверхности со стороны открытого конца большей ступени стакана и взаимодействует с конусной втулкой кольцевого уплотнения по наружной поверхности внутреннего кольца переднего подшипника, скреплённой герметично с резьбовой частью на внутренней поверхности меньшей ступени открытого торца ста-канообразного корпуса. В стенках последнего предусмотрены радиальные сквозные проёмы для закрепления измерительного прибора (например, индикатора часового типа) на поверхности кольца переднего подшипника. В днище и внутри стенок корпуса выполнены каналы для торцового подвода РЖ в зону сопряжения напрессованных на шейку оси внутренних колец переднего и заднего подшипников. Имеются клапаны управления для раздельной подачи РЖ: во-первых, в зону контакта торцов двух смежных напрессованных на шейку оси колец подшипников (переднего и заднего); во-вторых, с наружной стороны кольца переднего подшипника. Предусмотрена также возможность совместной подачи РЖ в указанные зоны напрес-совок. Устройство для неразрушающего контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колёсной пары, продольный разрез, приведено на чертеже (рис. 1).
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 1. Устройство для контроля прочности напрессовки колец подшипников на шейке оси колёсной пары
Отличительной конструктивной особенностью указанного устройства для контроля напрес-совок является совместное исполнение силового элемента и элемента крепления. Преимуществом данной конструкции является возможность осуществления гидрораспора двух колец подшипников независимо друг от друга с целью повышения достоверности оценки прочности напрессовки деталей сформированных соединений с гарантированным натягом на шейке оси колёсной пары. При одновременном гидрораспоре в зонах сопряжения двух колец с шейкой оси (при подаче РЖ через зону контакта их торцовых поверхностей) в одном из них (с меньшей величиной натяга) масляный клин раньше достигает границы посадки от места одновременного ввода РЖ с торцов двух смежных колец. Это ограничивает максимальное значение величины давления нагнетания РЖ и осложняет осуществление контроля прочности напрессовки второго кольца в случае необходимости повышения давления РЖ при несколько большем значении натяга второго (смежного с первым) кольца подшипника. Кроме того, при необходимости выполнения контроля прочности напрессовки только кольца переднего подшипника неизбежно осуществляется неоправданный гидрораспор от давления РЖ в зоне сопряжения второго добротно напрессованного кольца (заднего буксового подшипника).
Контрольные и измерительные элементы (тензистор, индикатор) закрепляются на кольцах заднего и переднего подшипников независимо от силового элемента (камеры высокого давления) и элементов крепления, собранных воедино по месту проводимых замеров. При этом могут быть использованы как клеммовые разъёмные тензомет-рические измерительные элементы для фиксации НДС охватывающей детали контролируемого соединения, так и другие измерительные устройства, позволяющие замерять величину радиальных де-
формаций наружных поверхностей контролируемых колец подшипников при их НДС от гидрораспора (создаваемого давлением РЖ) как при раздельном контроле каждого из колец, так и при совместном их нагружении при гидрораспоре с торцовым подводом РЖ высокого давления в зону сопряжения. По величине радиальных деформаций на наружной поверхности кольца подшипника (как и по величине окружных нормальных напряжений растяжения на указанной поверхности) устанавливают величину фактического натяга путём пересчета измеренных величин по известным из теории упругости и теории гидрораспора зависимостям.
При проведении экспериментального исследования на лабораторном стенде замерялись деформации напрессованных колец подшипников от воздействия давления подводимого в сопряжение масла при помощи индикаторов часового типа (цена деления 2 мкм), устанавливаемых в плоскостях различных поперечных сечений над дорожкой качения кольца подшипника. Результаты проведенных исследований удовлетворительно согласуются с данными замеров по определению НДС охватывающей детали соединения, проводимых во ВНИИЖТе [1]. Величины деформаций и характер их изменения по длине посадки кольца подшипника при вводе под различным давлением жидкой смазки в сопряжение приведены на рис. 2.
Математическая обработка данных экспериментальных исследований позволила представить общий характер изменения давления РЖ в деформированном зазоре в зоне контакта сопряжённых с гарантированным натягом деталей в виде графических зависимостей, приведенных на рис. 3.
Рис. 2. Деформации кольца подшипника при гидрораспоре в зоне его контакта с шейкой оси колёсной пары
Современные технологии. Механика и машиностроение
1 0,8 0,6 0,4 0,2 О
—- 8 =Lz/L
Рис. 3. Графические зависимости распределения давления РЖ в зоне контакта по длине сопряжения деталей с натягом
Важно учесть особенности силового нагру-жения охватывающей детали соединения, возникающие при различных режимах подачи рабочей жидкости высокого давления с торца сопряжения при гидрораспоре, используемом для осуществления предлагаемого способа неразрушающего контроля соединений по разработанной методике. Для повышения достоверности оценки прочности соединений с гарантированным натягом по уровню НДС соединённых деталей необходимы специальные теоретические и экспериментальные исследования по выявлению влияния различных факторов на точность определения окружных нормальных растягивающих напряжений на наружной поверхности тензометрического измерительного элемента (ТИЭ) контрольного устройства. Можно сгруппировать факторы, определяющие точность измерений с помощью предлагаемых устройств, в следующем сочетании: а) конструктивное исполнение ТИЭ и применяемые тонкослойные покрытия (для выравнивания величины удельного давления по длине посадки) его внутренних поверхностей контакта с контролируемой деталью; б) геометрические характеристики (толщина стенок корпуса, натяг его посадки на кольцо подшипника, макро- и микро-геометрия рабочих поверхностей) ТИЭ устройства; в) размещение тензопреобразователей на наружной цилиндрической поверхности упругого измерительного элемента и физико-механические свойства материала.
Анализ экспериментальных данных и данные работ [2, 3] по гидрораспору в зоне сопряжения деталей с гарантированным натягом позволяют заключить о правомерности использования предложенной (приведенной ниже) теоретической зависимости при оценке прочности тепловой на-прессовки колец подшипников на шейки осей коленных пар вагонов. Задача выбора эффективных
технических средств контроля и технологического оборудования с оптимальными параметрами оценки прочности сопряжения деталей соединений с натягом обусловливает необходимость разработки научно обоснованных рекомендаций по применению прогрессивной технологии и технических средств при формировании и ремонте колёсных пар вагонов. Решение этой задачи в условиях влияния на процесс контроля прочности напрессо-вок широкого спектра технологических факторов требует разработки математической модели, которая смогла бы обеспечить универсальный подход к этому сложному объекту разработки и изучения, получить типовые решения различной сложности по НДС охватывающей детали с параметрами, удовлетворяющими критерию прочности соединения.
Предлагается упрощённая методика оценки прочности соединений с гарантированным по величине замеряемых радиальных деформаций на наружной поверхности контролируемого кольца подшипника при гидрораспоре в зоне его контакта с шейкой оси колёсной пары (рис. 2). Для внутреннего кольца подшипника радиальное перемещение на поверхности радиусом r = d /2, где d -диаметр сопряжения, определяется по зависимости Ляме-Гадолина для толстостенных цилиндров.
Величина u2 приращения радиуса наружной поверхности толстостенного цилиндра в случае воздействия только внутреннего давления находится (при известном соотношении
K = r / Г = d / d2) по зависимостям
u2 = 2K\Pk /E(1 - K2) (1)
или
u2 = d2dPk / E(d2 - d2). (2)
Соответственно рассматривается величина Ad увеличения наружного диаметра d2 охватывающей детали соединения (кольца подшипника) при контактном давлении P в сопряжении с натягом и модуле упругости Е материала деталей.
Используя известную зависимость для определения величины контактного давления в соединении при известном натяге 5 в сопряжении деталей и зная величину изменение радиуса «u2» наружной поверхности кольца подшипника от гидрораспора в зоне их контакта, получаем формулу для расчёта величины фактического натяга в сопряжении кольца подшипника с шейкой оси колёсной пары в виде
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
дфакт =M2(d2/ d). (3)
Достоверность определения величины упругих деформаций оценивают методами теории вероятности. На основании теоремы о дисперсии суммы нескольких независимых случайных величин определяют среднее отклонение оцениваемой величины Ad2 в /-ой точке, устанавливают доверительные границы значений величины по распределению Стьюдента.
Принимая 1/ K = d2 / d = щ, получаем достаточно простую для практического использования зависимость
= Adm.
факт 2 k
Можно принимать щ = const для роликовых буксовых подшипников колёсных пар грузовых и пассажирских вагонов (щ=1,215 ...1,225).
Контроль прочности напрессовки осуществляется следующим образом (рис. 1). Устанавливают на внутреннее кольцо 5 заднего подшипника втулку 3 уплотнения высокого давления, крышку 7 и нажимную гайку 6 корпуса 1, а затем упомянутый корпус с закреплённой в нём втулкой 2 уплотнения высокого давления и торцовыми уплотнениями 8 и 9 устанавливают концентрично на внутреннее кольцо 4 переднего подшипника и закрепляют корпус 1 соосно на торце шейки оси болтами 16 с уплотнительными прокладками 17 для герметизации его внутренней полости А. Зажимают на внутреннем кольце 4 переднего подшипника при помощи гайки 6 конусную втулку 2 уплотнения высокого давления полости В корпуса 1, закрепляют на уплотнительной прокладке 8 крышку 7 последнего, а затем зажимают конусную втулку 3 второго кольцевого уплотнения высокого давления упомянутой полости В. При закрытом клапане 10 и открытом положении клапана 11 управления подачей РЖ нагнетают насосом 15 высокого давления масло в полость А под торец кольца 4. Снимают показания по деформациям ( или напряжениям) на наружной поверхности контролируемого кольца 4 и по величине давления РЖ. Затем клапан 11 закрывают и открывают клапан 10, подают РЖ в полость В под торец контролируемого кольца 5, аналогично снимают показания по второму контролируемому кольцу подшипника. При выполнении контроля прочности тепловых напрессовок колец подшипников при
помощи предложенного устройства возможно осуществлять одновременное нагнетание используемой РЖ в полости А и В при открытых клапанах управления 10 и 11.
При осуществлении гидрораспора в сопряжениях колец подшипников используют обратный клапан 12 и штуцеры 13, 14 подсоединения контрольных манометров.
Разработанный способ контроля основан на предварительном измерении геометрических характеристик охватывающей детали при фактическом упруго-деформированном состоянии контролируемой охватывающей детали при установленной величине давления гидрораспора. Затем выполняют математическую обработку (с помощью расчётов на ЭВМ или с применением номограмм) замеряемых данных для оценки прочности получаемых соединений, т.е. устанавливают величину фактического натяга, усреднённое контактное давление в сопряжении, прочность на относительный сдвиг и проворачивание, усилие предварительного смещения посадки.
Заключение
Реализация представленной разработки в производственных условиях обеспечивает возможность получения достаточно точной оценки прочности сопряжения деталей продольно- и поперечно-прессовых соединений. Внедрение в практику изготовления и ремонта подвижного состава предложенной методики и технологической оснастки неразрушающего контроля соединений с гарантированным натягом буксовых подшипников позволяет повысить надёжность колёсных пар в эксплуатации и безопасность движения поездов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Генич Б. А., Акбашев Б. З. Гидравлический способ демонтажа подшипников качения. - М.: ВНИИЖТ, 1960. - 20 с.
2. Чернин И. Л. Определение параметров гидропрессования при сборке-разборке соединений с гарантированным натягом / Совершенствование конструкции и технологии изготовления вагонов // Межвуз. сб. науч. трудов. - Гомель, 1994. - С. 67-73.
3. Сенько В. И., Чернин И. Л., Бычек И. С. Техническое обслуживание вагонов. Организация ремонта грузовых вагонов в депо : учеб. пособие. - Гомель: Бел ГУТ, 2002. - 371 с.
