Влияние распределения радиальной нагрузки на ресурс буксового подшипника грузового вагона Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.115

Л. В. БОРОДИН Ю. Л. ИВЛНОВЛ Д. Б. ГРИЦ

Омский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ РЛСПРЕДЕЛЕНИЯ РЛДИЛЛЬНОЙ НЛГРУЗКИ НЛ РЕСУРС БУКСОВОГО ПОДШИПНИКЛ ГРУЗОВОГО ВЛГОНЛ_

Предложено устройство сдвоенного подшипника с упругими кольцами, которое позволило уменьшить неравномерность распределения нагрузки на детали буксы, повысить ресурс буксового подшипника.

Ключевые слова: радиальная нагрузка, цилиндрический ролик, подшипник, букса.

Расчет ресурса подшипников буксовых узлов, как правило, не учитывает неравномерное распределение нагрузки на детали буксы и основан на допущении абсолютной жесткости тел. Такое допущение позволяет значительно снизить объем и упростить производимые расчеты. Подобные расчеты применяют для описания нормальных режимов работы, где погрешность расчетов получается в рамках допустимой [1].

Рассмотрим цилиндрический роликовый подшипник в буксе грузового вагона, движущегося в составе поезда с ускорением ап. Для составления расчетной схемы динамической нагруженности короткого цилиндрического ролика буксового подшипника (рис. 1) вводятся две правые системы декартовых координат. Система координат Охуг (условно неподвижная) расположена таким образом, что ось х направлена вдоль оси пути по направлению движения поезда, ось у — вдоль оси колесной пары по направлению к торцу шейки, а ось г — вертикально вниз.

Начало координат О системы Охуг находится на пересечении горизонтальной оси симметрии вагонной оси и вертикальной оси симметрии нагруженного ролика. Начало координат О1 второй системы координат О1х1у1г1 располагается в точке, лежащей на мгновенной оси вращения ролика (посередине его образующей). При перекатывании ролика по дорожкам качения колец система координат О1х1у1г1 вращается в плоскости хОг и оси у и у1 остаются параллельными при любом положении ролика. Для случая максимально нагруженного центрального ролика оси г и совпадают. Согласно утверждению в работе [2] к нагруженному ролику буксового подшипника приложены следующие активные силы, реакции связей и силы инерции:

Мн1. — равнодействующая равномерно распределенной нагрузки со стороны дорожки качения наружного кольца, которая зависит от эквивалентной радиальной нагрузки на подшипник Fr и от числа роликов в нем г следующим образом:

N -

М н0

(2)

применительно к подшипнику с полиамидным сепаратором в буксе грузового вагона г=15, а в качестве радиальной нагрузки Fr принимается эквивалентная радиальная нагрузка Рэ;

Мв. — равнодействующая равномерно распределенной нагрузки со стороны дорожки качения внутреннего кольца; F . и F . — соответственно силы

^ > тр.ш тр.вг

трения ролика о наружное и внутреннее кольца;

N . = N n•cos3■

Ч,

(1)

Рис. 1. Расчетная схема динамической нагруженности ролика под воздействием радиальной нагрузки

Мсеш. — нормальное давление сепаратора на ролик; F . — сила трения ролика о сепаратор; т я — вес

тр.сепг ^ ^ < р£э

ролика; Fип — сила инерции ролика, соответствующая его движению с ускорением поезда ап:

F =т а ;

и.п р п'

(3)

Fиврí — сила инерции, соответствующая вращательному ускорению ролика в движении относительно буксы:

Р„.:р, = тр ■ ^

R„

(4)

где ед — угловое ускорение шеики оси колесной пары; Rв — радиус дорожки качения внутреннего

кольца подшипника; F

сила инерции, соответ-

(5)

эффициенты сцепления роликов с дорожками качения; и соз ^согласно расчетной схеме, представленной на рис. 1, рассчитываются по формулам:

К: + Гр

СОв у ■

Ж + Гр ) -

К: + Гр

(12)

(13)

ствующая центростремительному ускорению ролика в движении относительно буксы:

При подстановке в уравнения системы (7) вместо F , F , F . их значений, определяемых по фор-

тр.ш' тр.вг тр.сепг ' ^ ^ т"

мулам (8) —(10), система уравнений (7) примет вид:

- Ри.р - - Ри.п СОв 7 + трЯ вШ ¡7 -

- МсеШ + Vсеп в1п = 0;

- РаЩ + + Ра.п в1п ¡7 + трЯ СОв 7 -

- МсеШ (в1пУ - Vсеп СОвУ) = 0;

- Ри.пГр СОв ¡7 - Ри.:рГр + тр9Гр в1п ¡7 - М, -

- Мтр.качг - МсеШ (гр СОвУ + ^П¥исеп )- РтрсеШ = 0.

(14)

где ю0 — угловая скорость шейки оси колесной пары; М, — момент пары, к которой приводятся силы инерции в относительном вращении ролика вокруг оси, проходящей через центр тяжести ролика:

MJ = J■ ¿р = тр

4

(6)

Связь между движением ролика и приложенными к нему силами записывается с помощью принципа Даламбера в виде системы уравнений равновесия приложенных сил, реакций связи, сил инерции и суммы моментов в проекциях на координатные оси с началом в точке О,

г

Р . - Р - Р

тр.вг и.вг тр.нг

■Р.,

- Ксепг СОвУ - Рт

и.п СОв ¡7 + трЯэш ¡7 ■

тр.сепг У = 0

эт ¡7 + т.р^ - ^сеш ^ У + Ртр.сеш СОв У = 0 Ртр.: 2Гр - Ри.пГр СОв 7 - Ри:рГр + тр9Гр в1П ¡7 -

- Рац + + Ри.п в1П 7 + трЯ СОв 7

(7)

- М, - Мт

- МсешГр СОв У - Ртр.сешК = 0.

В систему уравнений (7) входят уравнение равновесия сил в проекциях на ось хг, уравнение равновесия сил в проекциях на ось z1, уравнение суммы моментов относительно оси уг При отсутствии рамной силы согласно расчетной схеме (см. рис. 1) с учетом принятых допущений на элементы буксового подшипника не действуют силы в плоскостях хг ОГ ух и ух ОГ z1, а также моменты относительно осей хг и z1.

Силы трения роликов о дорожки качения колец и силы трения качения связаны с нормальными реакциями формулами:

Р . = иМ

тр.ш ' н ш

Р . = и N ,

тр.сеп сеп сеп

Р - = иМ .

тр.в г 'в в г

М . = кМ ,

тр.кач г н н г

+ кМ .

(8)

(9)

(10) (11)

Под действием равномерно распределенной вертикальной динамической нагрузки при отсутствии перекосов к образованию дефектов в деталях цилиндрических роликовых подшипников и снижению их ресурса приводят усталость металла и абразивный износ трущихся поверхностей.

Однако движение грузовых вагонов при больших скоростях движения и значительных осевых нагрузках происходит в условиях, которые заметно расходятся с нормальными.

В ходе динамических испытаний [3] было определено, что радиальная нагрузка неравномерно распределена как вдоль образующей ролика, так и между рядами тел качения.

Такой характер распределения можно объяснить деформацией деталей буксы и упругим прогибом оси, в результате чего в подшипнике буксы нарушается соосность колец. В условиях перекоса перегруженным оказывается край ролика заднего подшипника расположенный со стороны колеса.

Одним из способов выравнивания радиальной нагрузки в подшипниках буксы грузового вагона является применение вместо двух отдельных подшипников — один сдвоенный подшипник с безбортовой

где кн и кв — коэффициенты трения по дорожкам качения соответственно наружного и внутреннего колец (справочные данные); ^сеп — коэффициент трения скольжения ролика о сепаратор; ^в — ко-

Рис. 2. Конструкция буксы со сдвоенным безбортовым подшипником с упругими кольцами

Г

р

2

р

т_ ■ е

р

2

схемой [4]. На кафедре «Теория механизмов и детали машин» ОмГУПСа разработано устройство сдвоенного безбортового подшипника с упругими кольцами (рис. 2) [5]. Букса содержит корпус 1, шейку оси 2, на которую установлен цилиндрический роликоподшипник и шаровой подпятник 3. Роликоподшипник включает в себя внутреннее 4 и наружное 5 кольца в виде втулок без бортов, ролики 6, направляющие кольца 7 и сепаратор 8. Внутреннее кольцо 4 фиксируется на шейке оси крышкой 9, а наружное кольцо 5 с приставными опорными кольцами 10 в корпусе 1 — крышкой 11. Кольца 4 и 5 подшипника включают поверхностные рабочие слои 12 и 13 с твердостью 61...63 HRC. Слои материалов колец от рабочего слоя до посадочной поверхности выполнены с меньшей твердостью на 10.15 единиц. Концевые части колец 4 и 5, контактирующие с шейкой 2 оси и корпусом 1 соответственно, выполнены конусными — поверхности 14 и 15, а рабочие поверхности 12 и 13 колец для роликов каждого ряда разделены радиусными канавками 16 и 17.

Буксовый узел работает следующим образом. Под нагрузкой колесная ось изгибается, при этом внутреннее кольцо подшипника перекашивается относительно наружного кольца. Это вызывает краевые концентрации контактных нагрузок, которые существенно снижаются при взаимодействии кромок роликов с концевыми коническими участками колец из-за их податливости. Этому способствует пониженная твердость материалов колец и разделение твердых рабочих поверхностей каждого кольца на части радиусными канавками. Установка безбортового сдвоенного подшипника возможна при условии изменения схемы передачи аксиальной нагрузки — в данной конструкции буксы исключена передача нагрузки по схеме «торец ролика — борт кольца», нагрузка передается специальным осевым опором 3.

Выполнение наружного кольца в виде втулки без бортов позволяет уменьшить разноразмерность опорных поверхностей для каждого ряда роликов, тем самым повысить точность размещения роликов между внутренним и наружным кольцами, уменьшить величину перекоса осей роликов при вращении. Согласно предварительным расчетам, предлага-

емый подшипник позволяет уменьшить концентрацию контактных давлений, возникающие при перекосе колец. Равномерное распределение радиальной нагрузки между рядами тел качения позволило повысить ресурс буксового подшипника.

Библиографический список

1. Галахов, М. А. Расчет подшипниковых узлов / М. А. Галахов, А. Н. Бурмистров. — М. : Машиностроение, 1988. — 272 с

2. Гулюткин, А. И. Использование ЭЦВМ для исследования движения деталей вагонных роликовых подшипников / А. И. Гулюткин, М. М. Курганов, В. А. Петров // К вопросу применения ЭЦВМ для прочностных и тормозных расчетов в вагонном хозяйстве : тр. / ВЗИИТ. — М., 1967. — Вып. 26. — С. 15-50.

3. Абашкин, В. В. Результаты контрольных испытаний работоспособности роликовых подшипников в буксах с упругими элементами / В. В. Абашкин // Повышение надежности и долговечности роликовых подшипников в буксах вагонов / Труды ВНИИЖТ. — М. : Транспорт, 1978. — Вып. 583. — С. 102- 112.

4. Бородин, А. В. Повышение ресурса цилиндрических подшипников буксы грузового вагона : моногр. / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2011. — 102 с.

5. Пат. 105872 Российская Федерация, МПК В 61 Б 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником / Бородин А. В., Иванова Ю. А., Ковалев М. И. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. — № 2011100370/11 ; заявл. 11.01.11 ; опубл. 27.06.11, Бюл. № 18. — 5 с.

БОРОДИН Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин». ИВАНОВА Юлия .Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теория механизмов и детали машин».

ГРИЦ Дмитрий Борисович, аспирант кафедры «Теория механизмов и детали машин». Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 21.01.2014 г. © А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, Д. Б. Гриц

Книжная полка

006.9/4-58

Чигрик, Н. Н. Основы метрологии : учеб. электрон. изд. локального распространения : конспект лекций / Н. Н. Чигрик ; ОмГГУ. — Омск : Изд-во ОмГГУ, 2014. — 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

Дано описание метрологии как науки об измерении физических величин, видах, методах и средствах обеспечения их единства; о погрешностях измерений и средств измерений, обработка и представление результатов измерений, расчет погрешностей. Изложены основные сведения о современном состоянии единиц измерений и систем единиц, о технических средствах измерения: эталоны единиц физических величин, меры, образцовые и рабочие средства измерения. Освещены вопросы стандартизации единиц измерений в РФ, приведены основные положения и таблицы Государственных стандартов на единицы измерений. Рассмотрены метрологические характеристики средств измерений, основные понятия законодательной метрологии. Предназначено для студентов дистанционной, очной, заочной форм обучения специальностей 200101 «Приборостроение»; 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»; 23010062 «Информатика и вычислительная техника»; 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления», изучающих дисциплину «Метрология, стандартизация и сертификация». Могут быть полезны студентам механических, электромеханических специальностей.