Высоконагруженные опорные узлы вагонов и локомотивов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.115

Л. В. БОРОДИН Д. В. ТАРУТА Т. В. ВЕЛЬГОДСКАЯ Ю. А. ИВАНОВА

Омский государственный университет путей сообщения

ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫЕ ОПОРНЫЕ УЗЛЫ ВАГОНОВ И ЛОКОМОТИВОВ

Предложены новые конструктивные решения высононагруженных опорных узлов вагонов н локомотивов, позволяющие повысить их эксплуатационные характеристики. Ключевые слова: подшипник, долговечность, букса, ролик.

Основными элементами, определяющими работоспособность подвижного состава, по праву считаются подшипниковые узлы. Наиболее нагруженными подшипниками н локомотивах являются буксовые и моторно-осевые. Именно эти опорные узлы экипажной части подвержены значительным динамическим нагрузкам в эксплуатации, что определяет их сравнительно низкую надежность и долговечность.

Наибольшее влияние на долговечность подшипников оказывают масса необрессоренных частей тележек, жесткость пути, скорость движения. Все возрастающее требование к повышению скорости движения поездов вынуждает искать новые кон структнвиые решения пысоконафуженных опорных узлов подвижного состава.

В буксах современных локомотивов и вагонов в России применяют о основном подшипники качения с цилиндрическими роликами Работоспособность таких опор ограничивается действием переменных осевых сил. которые приводят к интенсивному изнашиванию колец п роликов из-за торможения роликов по торцовым поверхностям при контактировании с бортами колец. В сферических подшипниках бочкообразные ролики заклинивают кольца при сдвиге сс|юрических поверхностей относительно друг друга М.2|.

Более совершенными следует признать буксы с двойным коническим подшипником и эффективным уплотнением, которое защищает подшипник от потерь смазки и проникновения в рабочую полость влаги и абразивных частиц |3|. Следует отметить, что работоспособность конических подшипников зависит от многих технологических факторов. Прежде всею, корпус сдвоенного подшипника требует высочайшей точности конических поверхностей И их соосности, затем разиоразмерность роликов но ряду параметров должна составлять доли микрона, а ци-лмндричность шейки оси — приближаться к идеальной не только после изготовления, но и в эксплуатации иод нагрузкой. Долговечность подшипника может обеспечиваться эффективной герметизацией рабочей полости — гидродинамическим уплотнением.

Колее простое решение этой проблемы основано на модернизации буксы путем введения комбинированной опоры, элементы которой защищены патен-

тами на полезную модель [4,5| (рис. 1). Такое устройство дает возможность рационально воспринимать комбинированную нагрузку и обеспечивать работоспособность при смещении колесных пар относительно корпусов букс. Модернизированная букса грузового вагона содержит шар 1, размещенный между вогнутыми сферическими опорами большего радиуса. Под воздействием горизонтальной поперечной нагрузки вогнутые сферические поверхности опор контактируют с шаром и воспринимают эту нагрузку. Шаровый поднят ник позволяет исключить горизонтальную поперечную нагрузку на борты колец цилиндрических подшипников, что позволяет ввести а состав комбинированной опоры двухрядный роликовый подшипник 2 с безбортовыми кольцами, имеющий существенные преимущества в сравнении с двумя отдельными роликоподшипниками.

Чтобы реанимировать опорно-осевое подвешивание тягового электродвигателя локомотива, необходимо, в первую очередь, кардинально усовершенствовать или найти новые конструктивные решения моторно-осевых подшипников (МОП) скольжения. Другим вариантом может быть создание в габаритах эксплуатируемых опор подшипников с телами качения, воспринимающих радиальные и осевые нагрузки.

Рис. I. Модсрии.шроианм.ш букса I рузоиого тномл: 1 - шаропмй подпятник,

2 - диухрпдммй роликоиый подшипник с безбортовыми КОЛЬЦАМИ

Основы построения МОП скольжении повышенной долговечности, прежде всего, связаны с материалом опорной поверхности, возможности его универсализации, то есть использовании вкладыша с требуемыми триботехннческими свойствами. Особо паж-нмм условием следует считать обязателы«ость увеличении площади контактирующей поверхности. Эго можно осуществить за счет исключении гиперболической расточки вкладыша и окна во вкладыше д\я размещении польстерного смазывающего устройства Успешнаи реализации этого подхода обеспечивается введением в зону трепня смазочного материала с равномерным распределением по поверхности трении и удержания его в зоне трении при взаимодействии рабочих поверхностей опоры.

Реализация трения качения в радиальных габаритах эксплуатируемых подшипников скольжении основана на увеличении динамической грузоподъемности опоры за счет использовании роликов малою диаметра, сепарирования их канилированными пластинами из самосмазывающегося материала или сферическими телами качении. Большое количество тел качения, надежней герметизации смазываемой полости — главные факторы роста долговечности подшипника с таким конструктивным исполнением.

Герметизации букс подвижного состава услож-пиетси из-за осевого смещении колесных пар относительно корпусов букс Повышение герметизирующей способности уплотнения букс путем создания радиальных и торцовых лабиринтов г зазорами, не изме-ниющимися в периоды относительных смещений колесных нар и корпусов букс, улучшит работу подшипников буксового узла при его эксплуатации в условиях сильной запыленности и в кривых участках пути |6|.

Далее авторами предлагаются варианты опор осевого подвешивании тягового двигагеля тепловоза, в которых реализованы вышеизложенные принципы их построении.

11оваи конструкция МОП скольжения (рис. 2) содержи! составные вкладыши |7|. В корпус 1 вкладыша устанавливают радиальную 2 и осевую 3 опоры из антифрикционного материала. Такое построение опоры удовлетворяет требованию универсализации конструкции, обеспечивает исполюование материалов с требуемыми эксплуатационными свойствами. 11а поверхности трения вкладышей выполнены карманы 4, к которым по каналам 5 и 6 подается смазочный материал.

Утечка масла предотвращается контактными уплотнениями 7 и сопротивлением погоку к осевой опоре сетчатого коллектора 8. Карманы 4 на поверхности трения не сообщаются между собой, а образуют рельеф с системой дискретных углублений. Такое распределение смазочного материала создает предпосылки обеспечения гидродинамического давления в зонах трения при постоянной подаче масла в карманы 4.

По мнению акторов, перспективно новое конструктивное устройство опоры качения (рис. 3) (8). Опора состоит из внутреннего 1 и наружного 2 одно-бортовых колец, между которыми размещены ролики 3 и сепараторы в виде волнообразных пластин или тел качения 4 Между бортом внутреннего кольца и роликами 3 размещен упорный шариковый подшипник 6.

Большое количесгвотел качении, одновременно воспринимающих радиальную и осевую нагрузки, способствует повышению несущей способности оио-I ры Расчетная долговечность опоры 1,56 млн км про-

<2> С*? <ЗЭ С*> СО GO

© 0 © © 0

Рис. 2. Конструкция МОП скольжения

Рис. 3. Конструкция МОП качения

бега тепловоза в эксплуатации, более чем в 1,2 раза превышает долговечность ранее испытанных конструктивных решений.

Для организации эффективной) подвода смазочного материала и повышения эксплуатационной надежности подшипниковых узлов авторами разработана оригинальная система принудительного смазывания подшипников [9|.

Предложенные конструкции подшипниковых узлов подвижного состава комбинированного нагружения удовлетворяют возрастающим эксплуатационным требованиям и способствуют повышению долговечности высоконагружепных опор транспортной техники.

Библиографический список

1. Механическая часть тапмого подвижного состава: Учеб ник дли вузов ж д транспорта / И.В. Бирюков, А 11. Сапосмсин, Г.П Бурчакндр Под род ИВ Бирюкова. - М.:Трлнсгшрт. 1992 440 с.

2. Цюренко В.Н. Надежность роликовых подшипников н буксах вагонов / В.Н. Цюренко, В.А. Петров. - М.: Транспорт, 1982. - 95 с.

3. Бирюков И. В. Новые буксовые подшипники /И В Бнрю-коп. А.Г. Титов // Локомотив. N0 I, 1990. С. 27 - 28

4. Пят 6'_>00« Российская Федерации. М11К В (И Р 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником / Л. В, Бородин, Ю А Иванова.; заявитель н патентообладатель ОмГУПО. -N«2007112328; заяпл. 02.04.07; опубл. 27.07 2007 Бюл Ко 21

5 Пат. Я2011 Российская Федерации, МПК Р16С 17/04 1кш'шпник со сферическими упорными поверхностями/А. В. Бо родил, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель Ом!~УГК*. -N02(4)8145684/22; заявл. 19. И .2008; опубл. 10 04.2009. Бюл. М* 10

6. Патент на изобретение № 2097235. МКИ В 61 Р 15/12. Буксовый узел / А.В. Бородин, 11.В. Ковалева. Заявлено 04.07.95 Опубл. 10.03 98 Бюл. N«33.

7 СвиА<пелыгпюна полез! |у>о модельN*30172, МКИ Р16С17/20 Моторно-осевой подшипник скольжении локомотива / А.В. Бо родни, Д. В. Тарутл. Замплено04.12.02; ОгтуОл. 20.06.03. Бн>л. |Ми 17

8. См<д<7гел1<гпюиаполезнуюмодельК«27943.МКИР1бС19/00. Подшипниковый узел колесно-моторного блока / А В Бородин, Д. В. Тарутп. Заявлено 17.07.02; Опубл. 27 02.03. Бюл N>6.

9 Плтеїгт ил и:»о6реи‘ннр№ 2255253, РФ, МПК ? F 16С 33/10, B6I Iі 17/24.Принудительнаясисіемасмазываниямотирно-осе-иых гюдішшкикои электродвигателя локомотива / А П. Породим. Д В Тарутд. Замолено 14 05.03; Опубл. 27.06 05. Кюл. Nv 18.

БОРОДИН Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected] TAPYTA Дмитрий Викторович, кандидлттехнических наук, доцент кафедры -(Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: е-таіі: ітсІтфотдирБ.і и ВЕАЬГОДСКАЯ Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, доцеїгг кафедры «Теория механизмов и детали машин».

Адрес для переписки: е-піаіі: [email protected] ИВАНОВА Юлия Алексеевна, аспирантка кафедры «Теория механизмов и детали машин».

Адрес дди переписки: е-п»аіІ: капоуаіпкІт(о>таіІ.ги

Статья поступила в редакцию 22.04».2009 г.

© Л. В. Ьородин, Д В. Тарута, Т. П. Велиодская, Ю. А. Иваиоил

УДК 625.1:531.3 Д. В. БОРОДИН

В. В. ИВАНОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ КОЛЕСА

ГРУЗОВОГО ВАГОНА

ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ

РЕЛЬСОВОГО СТЫКА

В статье приведена уточненная математическая модель взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка с дефектами. На основании исследования напряженно-деформированного состояния колеса методом конечных элементов обоснована необходимость снижения сил ударного взаимодействия. Предложены технические решения, направленные на снижение ударного воздействия со стороны стыка на колесо грузового вагона.

Ключевые слова: колесо, стыковая неровность, напряженно-деформированное состояние.

Повышение эффективности работы железнодорожною транспорта неразрывно связано с увеличением скоростей движения, веса и длины грузовых поездов, что. в свою очередь, принодит к возрастанию динамических нагрузок на пуп. и подвижной состав. В перспективе планируется увеличить скорость движения грузовых поездов до 120 км/ч при одновременном снижении уровня отказом на 20 % 111. Достижение указанных целей связано с решением ряда задач в динамической системе «колесо-рельс», одной из НИХ является снижение динамическою воздействия па колеса грузовых вагонов со стороны пути при прохождении периодических неровностей на поверхности катания головки рельсов - стыков. Разрушение рельсов в зоне стыкового соединения приводи т к возникновению дополнительных ударных сил на колесо грузового вагона и увеличению действующих механических напряжений в его объеме. Получить значения действующего импульса и силы при ударе позволяет математическая модель, учитывающая геометрические параметры стыковой неровности.

Импульс силы динамическою воздействия можно представить как функцию нескольких переменных:

5-£(1„.1р1.1ра.С). (1)

где!,^ - величина стыкового зазора, мм;

1|И — величина горизонтальной проекции дефекта на отдающем рельсе, мм;

1р1 - величина горизонтальной проекции дефекта на принимающем рельсе, мм; с — величина жесткости в стыке, кН/мм.

Используя схему прохождения колесом рельсового стыка с дефектами, приведенную на рис I, составим выражение для определения величины ударного импульса с учетом вышеперечисленных факторов.

При прохождении стыка мгновенный центр врн-щения скачкообразно переходите отдающего конца рельсового стыка (точка ар)) на принимающий конец рельсового стыка (точка а|й). Это перемещение вызывав! изменение направления скорости движения ко-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ IfCTHMK Ч* J (13) ПО* ______________________________________________________________________________МАЩИЖХТЮПИ и МАШИВОЦДІНИІ